Python: C扩展初体验

2023年9月16日 197次阅读 来源: Lin_R

前言

使用 Python 毋庸置疑减少了很多规则约束和开发成本，让我们能够更加专注于逻辑而非语法。但是得此失彼，开发效率提高了，却带来了运行性能的问题，所以就常常被其他门派追着暴打。
　
身为一个 pythoner，我们也很忧伤呀，怪我们咯..

万幸的是，虽然上帝关掉了我们一扇门，但是却为我们打开了另一扇窗，正因为底层是用 C语言 写的，所以我们可以将一些性能损耗比较大的功能，或者模块，通过 C语言 重写，然后 import xxxx 来无缝结合。

哪怕工作中比较少机会自己写C扩展, 了解这块的知识，也有利于我们更加深入了解 Python 的运行本质。

网上比较是通过 ctypes 或者 setup.py 的方式实现引用和编译安装，这边想试下最原始的方法~

快速开车

1. 实现接口函数

接口函数是什么意思？可以简单理解成就是 Python 和 C 的对接函数，举个栗子：

static PyObject *test(PyObject *self, PyObject *args){
    int arg1, arg2;
    if(!(PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2))){
        return NULL;
    }
    return Py_BuildValue("i",  arg1 + arg2 * 10);
}

我们可以看到这个函数和传统意义上的 C 用法用点不同了，特别是在函数形参那边的PyObject self, PyObject args

第一个参数是 PyObject *self，这个参数是Python内部使用的，可以不用管；

第二个参数是 PyObject *args，这个参数非常重要，因为这个揽括了所有传给函数的参数。它是一个参数列表，把所有的参数都整合到

一个 string, 因此，如果我们需要解析这些参数需要用特定的姿势！我们需要用到 PyArg_ParseTuple 来解开这个扣人心弦的入口！

PyArg_ParseTuple 函数说明：

  1. args就是需要转换的参数；
  2. ii 就是参数类型的格式符号，这里代表 int init；（更多类型请看官网：https://docs.python.org/2/c-a…）
  3. 后面的 &arg1, &arg2 就是通过参数解析提取的值，存放的地方，这有点类似 C 的 scanf；

很明显，这三个参数，在数量上存在这一定的联系，也就是，传进去两个 int参数，那么就肯定是对应了两个 ii，然后就会对应存在 两个实际的”容器”内，这里要注意，一不小心就会 Segmentation fault

对应有解析参数的，肯定也有 C模块 值转换成 Python对象 的，那就是 Py_BuildValue。

Py_BuildValue 函数说明：

# 对比着来看
PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2)    Python -> C模块
Py_BuildValue("i",  arg1 + arg2 * 10);        C 模块 -> Python
  1. 第一个参数 和 PyArg_ParseTuple 的第二个参数一样，都是格式化符号；
  2. 第二个参数是需要转换的参数，函数 Py_BuildValue 会把所有的返回指都组装成 tuple 给 Python

相关的官方文档：https://docs.python.org/2/c-a…

2. 定义方法列表

# 示例
static PyMethodDef  testMethods[] = {
    {"test", test, METH_VARARGS, "This is test"},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

PyMethodDef 是一个 C结构体，用来完成一个映射，也就是便于方法查找，我们把需要被外面调用的方法都记录在这表内。

PyMethodDef 结构体成员说明：

  1. 第一个字段：在 Python 里面使用的方法名；
  2. 第二个字段：C 模块内的函数名；
  3. 第三个字段：方法参数类型，是无参数(METH_NOARGS) , 还是有位置参数(METH_VARARGS), 还是其他等等；
  4. 第四个字段：方法描述，就是通过 help() 或者 doc 可以看到的；

需要注意的是，这个列表的最后必须以 {NULL, NULL, 0, NULL} 的形式来代表声明结束，也有一些大佬用 {NULL, NULL}，不过个人觉得写完整也不会累到哪去， 相反会比较直观。

# PyMethodDef 结构体定义源码， 取自 Python2.7 Include/methodobject.h
struct PyMethodDef {
    const char  *ml_name;   /* The name of the built-in function/method */
    PyCFunction  ml_meth;   /* The C function that implements it */              
    int      ml_flags;     /* Combination of METH_xxx flags, which mostly 
                              describe the args expected by the C func */
    const char  *ml_doc;    /* The __doc__ attribute, or NULL */
};

正因为存在这样的一份记录表，Python 才能够寻找到相应的函数

同样的，如果我们想要找一个模块的 Python 函数 对应什么的 C模块方法，也能通过这地方比较粗暴得知，例如 Python 的 list

# 取自 Python2.7 object/listobject.c
static PyMethodDef list_methods[] = {
    {"__getitem__", (PyCFunction)list_subscript, METH_O|METH_COEXIST, getitem_doc},
    {"__reversed__",(PyCFunction)list_reversed, METH_NOARGS, reversed_doc},
    {"__sizeof__",  (PyCFunction)list_sizeof, METH_NOARGS, sizeof_doc},
    {"append",          (PyCFunction)listappend,  METH_O, append_doc},
    {"insert",          (PyCFunction)listinsert,  METH_VARARGS, insert_doc},
    {"extend",      (PyCFunction)listextend,  METH_O, extend_doc},
    {"pop",             (PyCFunction)listpop,     METH_VARARGS, pop_doc},
    {"remove",          (PyCFunction)listremove,  METH_O, remove_doc},
    {"index",           (PyCFunction)listindex,   METH_VARARGS, index_doc},
    {"count",           (PyCFunction)listcount,   METH_O, count_doc},
    {"reverse",         (PyCFunction)listreverse, METH_NOARGS, reverse_doc},
    {"sort",            (PyCFunction)listsort,    METH_VARARGS | METH_KEYWORDS, sort_doc},
    {NULL,              NULL}           /* sentinel */
};

3. 实现初始化函数 (关键)

PyMODINIT_FUNC inittest(){
    Py_InitModule("test", testMethods);
}

需要特别注意的是，这个函数名不能像上面那样，这是有规定的，必须是 init + 模块名字，比方说，我的最后编译出来的文件是 test.so, 那我的函数名就是 inittest, 这样在 Python 导入 test 模块时，才能找到这个函数并调用。

这里调用了 Py_InitModule 函数来将模块名字和映射表结合在一起。表示 test 这个模块使用 testMethods 这个映射表。

4. 注意对象引用管理和内存泄露

Python 在对象管理、内存管理上面，有引用计数，标记-清除，分代回收等策略，其中引用计数发生的频率会非常非常高，依赖这个通常已经能够解决大部分的对象残留问题了。

所以，在我们编写 C扩展 时，也需要时刻谨记这步.

主要会用到下面两个宏:

1. 增加引用: Py_INCREF    例: Py_INCREF(pObj1)
2. 减少引用: Py_DECREF    例: Py_DECREF(pObj1)

不能直接使用 free/delete 释放，必须使用 Py_DECREF(pObj1), 然后 pObj1 = NULL 即可。

具体可以参考：
官网：https://docs.python.org/2/ext…
垃圾回收机制： http://www.wklken.me/posts/20…

编译导出

gcc  -I /usr/include/python2.7/ -fpic --shared -o test.so test.c

完整例子

test.c

#include<Python.h>
static PyObject *test(PyObject *self, PyObject *args){
    int arg1, arg2;
    if(!(PyArg_ParseTuple(args, "ii", &arg1, &arg2))){
        return NULL;
    }
    return Py_BuildValue("i",  arg1 + arg2 * 10);
}

static PyMethodDef  testMethods[] = {
    {"test", test, METH_VARARGS, "This is test"},
    {NULL, NULL}
};

PyMODINIT_FUNC inittest(){
    Py_InitModule("test", testMethods);
}

test.py

import test
print test.test(1, 2)   # 输出 21

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