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Python学习之路（5）— 使用C扩展

一、前言

参考：https://www.cnblogs.com/yinguo/p/4641349.html

Python C扩展是指用C语言编写的代码，然后编译成Python可以调用的库。这样可以提高Python代码的执行效率，或者实现某些Python无法直接实现的功能。

开发平台： Ubuntu 20.04.6 LTS

二、引入 Python.h 头文件

首先编写c扩展需要引入Python.h头文件，以ubuntu20为例，该文件在如下路径：

/usr/include/python3.8/

如果没有，可以使用如下目录安装

sudo apt-get install python3-dev

我们后面在编译共享库的时候需要指定该路径

三、编写处理函数

新建 hello.c文件，我们需要按照指定的格式编写函数，才可以让python调用；
函数一般声明成 static ，第一个参数是一个默认传入的 Python 对象，第二个参数是我们调用时传入的参数

static PyObject * hello_sum(PyObject *self, PyObject *args)

函数接受的参数是从 Python 环境下传入的，这和 C 中看到的函数是不同的，在 Python 的世界中，一切都是对象。所以，包装函数中首先要处理的问题就是解析从 Python 占获取的参数（实际上它是一个序列化后的字符串）；
我们常用的处理参数的函数是： PyArg_ParseTuple
例如我们这里要解析两个整数，我们先定义两个整数，如何使用PyArg_ParseTuple解析获取：

int a;
int b;
PyArg_ParseTuple(args, "i|i", &a, &a);

其中i|i 就表示要把传入的参数args解析成两个整数, 怎样我们就获得了想要传入的两个整数a和b;

同样的，我们要把值返回到 Python 环境中，也需要经过一些处理才行，常用的函数是Py_BuildValue，这个函数的用法和上一步中的 PyArg_ParseTuple 是一样的，但它们过程相反，Py_BuildValue 把 C 中的值按给定的格式格式化成 Python 需要的对象。

return Py_BuildValue("i", (a+b));

编写完整的hello_sum函数如下所示：

static PyObject * hello_sum(PyObject *self, PyObject *args) {int a, b, sum;if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b))return NULL;sum = a + b;return Py_BuildValue("i", sum);
}

四、定义模块

我们把上面的函数实现完成之后，我们需要定义一个模块并将其导出。
首先，我们要在一个类型为 PyMethodDef 的结构体中注册我们需要导出到 Python 中的函数：

static PyMethodDef ExtendMethods[] = {{"sum",  hello_sum, METH_VARARGS, "Compute sum of two integers."},{NULL, NULL, 0, NULL}
};

这个PyMethodDef 结构体有四个成员：

1. “sum”: 导出后在 Pyhton 中可见的方法名;
2. hello_sum: 在C中实际调用的函数；
3. METH_VARARGS： 表示传入方法的是普通参数，当然还可以处理关键词参数；
4. 第四个是这个方法的注释。

然后我们构建一个PyModuleDef 类型的结构体，就是我们要定义的模块了

static struct PyModuleDef hellomodule = {PyModuleDef_HEAD_INIT,"hello",   // 模块名"A simple example of Python C extension",  // 模块文档-1,          // 模块状态ExtendMethods// 模块的方法列表
};

这个PyModuleDef 结构体的成员如下：

1. PyModuleDef_HEAD_INIT：初始化头部信息，确保结构体的正确初始化，使其符合 Python C API 的要求；
2. hello：这个模块的名称，我们在python中使用的就是这个模块名称；
3. 第三个成员指明这个模块的文档，可以是NULL；
4. 第四个成员表示模块的每个解释器状态的大小，如果模块将状态保存在全局变量中，则为-1；
5. 第五个成员就是我们刚才定义的这个模块的方法列表；

五、初始化模块

使用如下方式初始化模块，编写模块初始化函数如下所示，PyMODINIT_FUNC 被用来声明模块初始化函数的返回类型。模块初始化函数会被 Python 调用，用于注册扩展模块及其功能。模块初始化函数的名称通常是 PyInit_<module_name>，其中 <module_name> 是扩展模块的名字。

PyMODINIT_FUNC PyInit_hello(void) {return PyModule_Create(&hellomodule);
}

六、编译共享库

使用如下命令编译共享库

gcc -shared -o hello.so -fPIC hello.c -I/usr/include/python3.8

编译完成后我们可以在当前目录下看到名为hello.so的共享库

七、 python运行

编写python代码如下所示：

import hello
print(hello.sum(4, 3))

运行结果如下所示

八、使用setup.py

上面我们通过gcc创建共享库的方式成功实现了C扩展，但是需要在共享库存在的目录下才可以调用使用；
Python提供了一个将C扩展安装到Python的site-packages目录下的方法，这样使得我们可以在任意目录的Python脚本中导入并使用这个C扩展模块。
编写setup.py如下所示：

from setuptools import setup, Extension# 定义C扩展模块
module = Extension('hello', sources=['hello.c'])# 设置和安装
setup(name='HelloPackage',version='1.0',description='A simple hello package',ext_modules=[module]
)

创建命令如下所示，使用 --user 选项会将包安装到用户目录中的 site-packages 目录，而不需要管理员权限。

python3 setup.py install --user