C与Python交互

C语言与Python交互大夏天编辑整理于互联网，2017Pyton和C分别有着各自的优缺点，用Python开发程序速度快，可靠性高，并且有许多高级模块可供使用，但执行速度相对较慢；C语言则正好相反，执行速度快，但开发效率低。为了利用两种语言各自的优点，比较好的做法是用Python开发整个软件框架，而用C语言实现高效功能模块。本文介绍C与Python互相调用与结合的方法，第二部分介绍常用Python接口，第三部分介绍Python调用C程序，第四部分介绍C调用Python程序一、简介Python是一门功能强大的高级脚本语言，它的强大不仅表现在其自身的功能上，而且还表现在其良好的可扩展性上，正因如此，Python已经开始受到越来越多人的青睐，并且被屡屡成功地应用于各类大型软件系统的开发过程中。与其它普通脚本语言有所不同，Python程序员可以借助Python语言提供的API，使用C或者C++来对Python进行功能性扩展，从而即可以利用Python方便灵活的语法和功能，又可以获得与C或者C++几乎相同的执行性能。执行速度慢是几乎所有脚本语言都具有的共性，也是倍受人们指责的一个重要因素，Python则通过与C语言的有机结合巧妙地解决了这一问题，从而使脚本语言的应用范围得到了很大扩展。在用Python开发实际软件系统时，很多时候都需要使用C/C++来对Python进行扩展。最常见的情况是目前已经存在一个用C编写的库，需要在Python语言中使用该库的某些功能，此时就可以借助Python提供的扩展功能来实现。此外，由于Python从本质上讲还是一种脚本语言，某些功能用Python实现可能很难满足实际软件系统对执行效率的要求，此时也可以借助Python提供的扩展功能，将这些关键代码段用C或者C++实现，从而提供程序的执行性能。本文主要介绍Python提供的C语言扩展接口，以及如何使用这些接口和C/C++语言来对Python进行功能性扩展，并辅以具体的实例讲述如何实现Python的功能扩展。二、Python的C语言接口Python是用C语言实现的一种脚本语言，本身具有优良的开放性和可扩展性，并提供了方便灵活的应用程序接口(API)，从而使得C/C++程序员能够在各个级别上对Python解释器的功能进行扩展。在使用C/C++对Python进行功能扩展之前，必须首先掌握Python解释所提供的C语言接口。2.1Python对象(PyObject)Python是一门面向对象的脚本语言，所有的对象在Python解释器中都被表示成PyObject，PyObject结构包含Python对象的所有成员指针，并且对Python对象的类型信息和引用计数进行维护。在进行Python的扩展编程时，一旦要在C或者C++中对Python对象进行处理，就意味着要维护一个PyObject结构。在Python的C语言扩展接口中，大部分函数都有一个或者多个参数为PyObject指针类型，并且返回值也大都为PyObject指针。2.2引用计数为了简化内存管理，Python通过引用计数机制实现了自动的垃圾回收功能，Python中的每个对象都有一个引用计数，用来计数该对象在不同场所分别被引用了多少次。每当引用一次Python对象，相应的引用计数就增1，每当消毁一次Python对象，则相应的引用就减1，只有当引用计数为零时，才真正从内存中删除Python对象。下面的例子说明了Python解释器如何利用引用计数来对Pyhon对象进行管理：例1:refcount.pyclassrefcount:#etc.r1=refcount()#引用计数为1r2=r1#引用计数为2del(r1)#引用计数为1del(r2)#引用计数为0，删除对象在C/C++中处理Python对象时，对引用计数进行正确的维护是一个关键问题，处理不好将很容易产生内存泄漏。Python的C语言接口提供了一些宏来对引用计数进行维护，最常见的是用Py_INCREF()来增加使Python对象的引用计数增1，用Py_DECREF()来使Python对象的引用计数减1。2.3数据类型Python定义了六种数据类型：整型、浮点型、字符串、元组、列表和字典，在使用C语言对Python进行功能扩展时，首先要了解如何在C和Python的数据类型间进行转化。2.3.1整型、浮点型和字符串在Python的C语言扩展中要用到整型、浮点型和字符串这三种数据类型时相对比较简单，只需要知道如何生成和维护它们就可以了。下面的例子给出了如何在C语言中使用Python的这三种数据类型：例2：typeifs.c//buildanintegerPyObject*pInt=Py_BuildValue(i,2003);assert(PyInt_Check(pInt));inti=PyInt_AsLong(pInt);Py_DECREF(pInt);//buildafloatPyObject*pFloat=Py_BuildValue(f,3.14f);assert(PyFloat_Check(pFloat));floatf=PyFloat_AsDouble(pFloat);Py_DECREF(pFloat);//buildastringPyObject*pString=Py_BuildValue(s,Python);assert(PyString_Check(pString);intnLen=PyString_Size(pString);char*s=PyString_AsString(pString);Py_DECREF(pString);2.3.2元组Python语言中的元组是一个长度固定的数组，当Python解释器调用C语言扩展中的方法时，所有非关键字(non-keyword)参数都以元组方式进行传递。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的元组类型：例3：typetuple.c//createthetuplePyObject*pTuple=PyTuple_New(3);assert(PyTuple_Check(pTuple));assert(PyTuple_Size(pTuple)==3);//settheitemPyTuple_SetItem(pTuple,0,Py_BuildValue(i,2003));PyTuple_SetItem(pTuple,1,Py_BuildValue(f,3.14f));PyTuple_SetItem(pTuple,2,Py_BuildValue(s,Python));//parsetupleitemsinti;floatf;char*s;if(!PyArg_ParseTuple(pTuple,ifs,&i,&f,&s))PyErr_SetString(PyExc_TypeError,invalidparameter);//cleanupPy_DECREF(pTuple);2.3.3列表Python语言中的列表是一个长度可变的数组，列表比元组更为灵活，使用列表可以对其存储的Python对象进行随机访问。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的列表类型：例4：typelist.c//createthelistPyObject*pList=PyList_New(3);//newreferenceassert(PyList_Check(pList));//setsomeinitialvaluesfor(inti=0;i3;++i)PyList_SetItem(pList,i,Py_BuildValue(i,i));//insertanitemPyList_Insert(pList,2,Py_BuildValue(s,inserted));//appendanitemPyList_Append(pList,Py_BuildValue(s,appended));//sortthelistPyList_Sort(pList);//reversethelistPyList_Reverse(pList);//fetchandmanipulatealistslicePyObject*pSlice=PyList_GetSlice(pList,2,4);//newreferencefor(intj=0;jPyList_Size(pSlice);++j){PyObject*pValue=PyList_GetItem(pList,j);assert(pValue);}Py_DECREF(pSlice);//cleanupPy_DECREF(pList);2.3.4字典Python语言中的字典是一个根据关键字进行访问的数据类型。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的字典类型：例5：typedic.c//createthedictionaryPyObject*pDict=PyDict_New();//newreferenceassert(PyDict_Check(pDict));//addafewnamedvaluesPyDict_SetItemString(pDict,first,Py_BuildValue(i,2003));PyDict_SetItemString(pDict,second,Py_BuildValue(f,3.14f));//enumerateallnamedvaluesPyObject*pKeys=PyDict_Keys(pDict);//newreferencefor(inti=0;iPyList_Size(pKeys);++i){PyObject*pKey=PyList_GetItem(pKeys,i);PyObject*pValue=PyDict_GetItem(pDict,pKey);assert(pValue);}Py_DECREF(pKeys);//removeanamedvaluePyDict_DelItemString(pDict,second);//cleanupPy_DECREF(pDict);2.4程序交互接口1.voidPy_Initialize()初始化Python解释器，在C++程序中使用其它Python/CAPI之前，必须调用此函数，如果调用失败，将产生一个致命的错误。2.intPyRun_SimpleString(constchar*command)执行一段Python代码，就好象是在__main__函数里面执行一样。例：PyRun_SimpleString(fromtimeimporttime,ctime\nprint''Todayis'',ctime(time())\n);3.PyObject*PyImport_ImportModule(char*name)导入一个Python模块，参数name可以是*.py文件的文件名。相当于Python内建函数__import__()。例：pmod=PyImport_ImportModule(mymod);//mymod.py4.PyObject*PyModule_GetDict(PyObject*module)相当于Python模块对象的__dict__属性，得到模块名称空间下的字典对象。例：pdict=PyModule_GetDict(pmod);5.PyObject*PyRun_String(constchar*str,intstart,PyObject*globals,PyObject*locals)执行一段Python代码。pstr=PyRun_String(message,Py_eval_input,pdict,pdict);6.intPyArg_Parse(PyObject*args,char*format,...)解构Python数据为C的类型，这样C程序中才可以使用Python里的数据。例：/*converttoCandprintit*/PyArg_Parse(pstr,s,&cstr);pr