Python与C、C++混编的四种方式(小结)

Python与C/C++混合编程在实际开发中有很高的应用价值，可以用于加速Python程序的执行速度以及与底层硬件交互等需求。有以下四种方式实现Python与C/C++混合编程：

1. 使用ctypes

ctypes是Python的一种外部函数库，用于调用动态链接共享库中的函数。它在不需要对应的C代码的情况下可以正常使用，具体可以通过下面的示例了解其使用方法：

from ctypes import *
import os

lib = cdll.LoadLibrary(os.path.abspath("libdemo.so"))

def test_c_type(x, y):
    f = lib.add
    f.argtypes = c_int, c_int
    f.restype  = c_int
    return f(c_int(x), c_int(y))

2. 使用CPython API

CPython API是Python官方提供的一个API接口，可用于编写Python扩展模块或直接扩展Python解释器。以下是使用CPython API实现的相加运算示例：

#include <Python.h>
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
static PyObject* wrap_add(PyObject* self, PyObject* args) {
    int x, y;
    PyArg_ParseTuple(args, "ii", &x, &y);
    return Py_BuildValue("i", add(x, y));
}
static PyMethodDef test_funcs[] = {
    {"add", (PyCFunction)wrap_add, METH_VARARGS, "add function"},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};
static struct PyModuleDef test_module = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "test_module",
    "test module",
    -1,
    test_funcs
};
PyMODINIT_FUNC PyInit_test_module(void) {
    PyObject* m = PyModule_Create(&test_module);
    if (m == NULL) {
        return NULL;
    }
    return m;
}

3. 使用SWIG

SWIG是一种自动生成C与Python语言之间接口的软件开发工具。通过SWIG，可以在C/C++代码中加入注释，使用配置文件生成接口代码。使用SWIG的优点在于可以快速生成接口代码，同时也不必学习底层的语言。

以下是示例代码：

/* file: demo.c */
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

/* file: demo.i */
%module demo
%{
#include "demo.h"
%}
int add(int a, int b);

使用以下命令，生成Python扩展模块：

swig -python demo.i
gcc -c demo.c demo_wrap.c -I/usr/include/python3.7
ld -shared demo.o demo_wrap.o -o _demo.so

4. 使用cython

cython是一种Python编译器，可以将Python代码转换成C/C++代码，并且无需额外的编译或安装依赖包。使用cython编写的代码展示如下：

#cython: infer_types=True, boundscheck=False, wraparound=False
cdef extern from "demo.h":
    int add(int a, int b)

def test_cython(x: int, y: int) -> int:
    return add(x, y)

使用以下命令，将cython代码转换成C代码：

cython -3 -a demo_cython.pyx

编译，生成相应的动态链接库：

gcc  -fpic -c demo_cython.c -I /usr/include/python3.7
gcc  -shared demo_cython.o -o demo_cython.so

示例说明

以下是使用ctypes的示例代码：

C语言文件（名称：libdemo.c）：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

生成动态链接库（Linux）：

gcc -shared -o libdemo.so libdemo.c

Python调用C函数（test_ctypes.py）：

from ctypes import *
import os

lib = cdll.LoadLibrary(os.path.abspath("libdemo.so"))

def test_c_type(x, y):
    f = lib.add
    f.argtypes = c_int, c_int
    f.restype  = c_int
    return f(c_int(x), c_int(y))

if __name__ == '__main__':
    print("Result:", test_c_type(1, 2))

使用命令 python3 test_ctypes.py 执行即可。

以下是使用cython的示例代码：

C语言文件（名称：demo_cython.h）：

int add(int a, int b);

cython文件（名称：demo_cython.pyx）：

#cython: infer_types=True, boundscheck=False, wraparound=False
cdef extern from "demo_cython.h":
    int add(int a, int b)

def test_cython(x: int, y: int) -> int:
    return add(x, y)

编译并生成动态链接库（Linux）：

cython -3 -a demo_cython.pyx
gcc  -fpic -c demo_cython.c -I /usr/include/python3.7
gcc  -shared demo_cython.o -o demo_cython.so

Python调用cython函数（test_cython.py）：

from demo_cython import test_cython

if __name__ == '__main__':
    print("Result:", test_cython(1, 2))

使用命令 python3 test_cython.py 执行即可。