Python是一門功能強(qiáng)大的高級腳本語言，它的強(qiáng)大不僅表現(xiàn)在其自身的功能上，而且還表現(xiàn)在其良好的可擴(kuò)展性上，正因如此，Python已經(jīng)開始受到越來越多人的青睞，并且被屢屢成功地應(yīng)用于各類大型軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程中。
與其它普通腳本語言有所不同，Python程序員可以借助Python語言提供的API，使用C或者C++來對Python進(jìn)行功能性擴(kuò)展，從而即可以利用Python方便靈活的語法和功能，又可以獲得與C或者C++幾乎相同的執(zhí)行性能。執(zhí)行速度慢是幾乎所有腳本語言都具有的共性，也是倍受人們指責(zé)的一個重要因素，Python則通過與C語言的有機(jī)結(jié)合巧妙地解決了這一問題，從而使腳本語言的應(yīng)用范圍得到了很大擴(kuò)展。
在用Python開發(fā)實(shí)際軟件系統(tǒng)時，很多時候都需要使用C/C++來對Python進(jìn)行擴(kuò)展。最常見的情況是目前已經(jīng)存在一個用C編寫的庫，需要在Python語言中使用該庫的某些功能，此時就可以借助Python提供的擴(kuò)展功能來實(shí)現(xiàn)。此外，由于Python從本質(zhì)上講還是一種腳本語言，某些功能用Python實(shí)現(xiàn)可能很難滿足實(shí)際軟件系統(tǒng)對執(zhí)行效率的要求，此時也可以借助Python提供的擴(kuò)展功能，將這些關(guān)鍵代碼段用C或者C++實(shí)現(xiàn)，從而提供程序的執(zhí)行性能。
本文主要介紹Python提供的C語言擴(kuò)展接口，以及如何使用這些接口和C/C++語言來對Python進(jìn)行功能性擴(kuò)展，并輔以具體的實(shí)例講述如何實(shí)現(xiàn)Python的功能擴(kuò)展。
二、Python的C語言接口
Python是用C語言實(shí)現(xiàn)的一種腳本語言，本身具有優(yōu)良的開放性和可擴(kuò)展性，并提供了方便靈活的應(yīng)用程序接口(API)，從而使得C/C++程序員能夠在各個級別上對Python解釋器的功能進(jìn)行擴(kuò)展。在使用C/C++對Python進(jìn)行功能擴(kuò)展之前，必須首先掌握Python解釋所提供的C語言接口。
2.1 Python對象(PyObject)
Python是一門面向?qū)ο蟮哪_本語言，所有的對象在Python解釋器中都被表示成PyObject，PyObject結(jié)構(gòu)包含Python對象的所有成員指針，并且對Python對象的類型信息和引用計(jì)數(shù)進(jìn)行維護(hù)。在進(jìn)行Python的擴(kuò)展編程時，一旦要在C或者C++中對Python對象進(jìn)行處理，就意味著要維護(hù)一個PyObject結(jié)構(gòu)。
在Python的C語言擴(kuò)展接口中，大部分函數(shù)都有一個或者多個參數(shù)為PyObject指針類型，并且返回值也大都為PyObject指針。
2.2 引用計(jì)數(shù)
為了簡化內(nèi)存管理，Python通過引用計(jì)數(shù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了自動的垃圾回收功能，Python中的每個對象都有一個引用計(jì)數(shù)，用來計(jì)數(shù)該對象在不同場所分別被引用了多少次。每當(dāng)引用一次Python對象，相應(yīng)的引用計(jì)數(shù)就增1，每當(dāng)消毀一次Python對象，則相應(yīng)的引用就減1，只有當(dāng)引用計(jì)數(shù)為零時，才真正從內(nèi)存中刪除Python對象。
下面的例子說明了Python解釋器如何利用引用計(jì)數(shù)來對Pyhon對象進(jìn)行管理：
7例1:refcount.py
classrefcount:
# etc.
r1=refcount()# 引用計(jì)數(shù)為1
r2=r1# 引用計(jì)數(shù)為2
del(r1)# 引用計(jì)數(shù)為1
del(r2)# 引用計(jì)數(shù)為0，刪除對象
在C/C++中處理Python對象時，對引用計(jì)數(shù)進(jìn)行正確的維護(hù)是一個關(guān)鍵問題，處理不好將很容易產(chǎn)生內(nèi)存泄漏。Python的C語言接口提供了一些宏來對引用計(jì)數(shù)進(jìn)行維護(hù)，最常見的是用Py_INCREF()來增加使Python對象的引用計(jì)數(shù)增1，用Py_DECREF()來使Python對象的引用計(jì)數(shù)減1。
2.3 數(shù)據(jù)類型
Python定義了六種數(shù)據(jù)類型：整型、浮點(diǎn)型、字符串、元組、列表和字典，在使用C語言對Python進(jìn)行功能擴(kuò)展時，首先要了解如何在C和Python的數(shù)據(jù)類型間進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
2.3.1 整型、浮點(diǎn)型和字符串
在Python的C語言擴(kuò)展中要用到整型、浮點(diǎn)型和字符串這三種數(shù)據(jù)類型時相對比較簡單，只需要知道如何生成和維護(hù)它們就可以了。下面的例子給出了如何在C語言中使用Python的這三種數(shù)據(jù)類型：
17例2：typeifs.c
// build an integer
PyObject*pInt=Py_BuildValue("i",2003);
assert(PyInt_Check(pInt));
inti=PyInt_AsLong(pInt);
Py_DECREF(pInt);
// build a float
PyObject*pFloat=Py_BuildValue("f",3.14f);
assert(PyFloat_Check(pFloat));
floatf=PyFloat_AsDouble(pFloat);
Py_DECREF(pFloat);
// build a string
PyObject*pString=Py_BuildValue("s","Python");
assert(PyString_Check(pString);
intnLen=PyString_Size(pString);
char*s=PyString_AsString(pString);
Py_DECREF(pString);
2.3.2 元組
Python語言中的元組是一個長度固定的數(shù)組，當(dāng)Python解釋器調(diào)用C語言擴(kuò)展中的方法時，所有非關(guān)鍵字(non-keyword)參數(shù)都以元組方式進(jìn)行傳遞。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的元組類型：
17例3：typetuple.c
// create the tuple
PyObject*pTuple=PyTuple_New(3);
assert(PyTuple_Check(pTuple));
assert(PyTuple_Size(pTuple)==3);
// set the item
PyTuple_SetItem(pTuple,0,Py_BuildValue("i",2003));
PyTuple_SetItem(pTuple,1,Py_BuildValue("f",3.14f));
PyTuple_SetItem(pTuple,2,Py_BuildValue("s","Python"));
// parse tuple items
inti;
floatf;
char*s;
if(!PyArg_ParseTuple(pTuple,"ifs",&i,&f,&s))
PyErr_SetString(PyExc_TypeError,"invalid parameter");
// cleanup
Py_DECREF(pTuple);
2.3.3 列表
Python語言中的列表是一個長度可變的數(shù)組，列表比元組更為靈活，使用列表可以對其存儲的Python對象進(jìn)行隨機(jī)訪問。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的列表類型：
Python
24例4：typelist.c
//createthelist
PyObject*pList=PyList_New(3);//newreference
assert(PyList_Check(pList));
//setsomeinitialvalues
for(inti=0;i<3;++i)
PyList_SetItem(pList,i,Py_BuildValue("i",i));
//insertanitem
PyList_Insert(pList,2,Py_BuildValue("s","inserted"));
//appendanitem
PyList_Append(pList,Py_BuildValue("s","appended"));
//sortthelist
PyList_Sort(pList);
//reversethelist
PyList_Reverse(pList);
//fetchandmanipulatealistslice
PyObject*pSlice=PyList_GetSlice(pList,2,4);//newreference
for(intj=0;j<PyList_Size(pSlice);++j){
PyObject*pValue=PyList_GetItem(pList,j);
assert(pValue);
}
Py_DECREF(pSlice);
//cleanup
Py_DECREF(pList);
2.3.4 字典
Python語言中的字典是一個根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)類型。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的字典類型：
Python
21例5：typedic.c
//createthedictionary
PyObject*pDict=PyDict_New();//newreference
assert(PyDict_Check(pDict));
//addafewnamedvalues
PyDict_SetItemString(pDict,"first",
Py_BuildValue("i",2003));
PyDict_SetItemString(pDict,"second",
Py_BuildValue("f",3.14f));
//enumerateallnamedvalues
PyObject*pKeys=PyDict_Keys();//newreference
for(inti=0;i<PyList_Size(pKeys);++i){
PyObject*pKey=PyList_GetItem(pKeys,i);
PyObject*pValue=PyDict_GetItem(pDict,pKey);
assert(pValue);
}
Py_DECREF(pKeys);
//removeanamedvalue
PyDict_DelItemString(pDict,"second");
//cleanup
Py_DECREF(pDict);
三、Python的C語言擴(kuò)展
3.1 模塊封裝
在了解了Python的C語言接口后，就可以利用Python解釋器提供的這些接口來編寫Python的C語言擴(kuò)展，假設(shè)有如下一個C語言函數(shù)：
Python
8例6：example.c
intfact(intn)
{
if(n<=1)
return1;
else
returnn*fact(n-1);
}
該函數(shù)的功能是計(jì)算某個給定自然數(shù)的階乘，如果想在Python解釋器中調(diào)用該函數(shù)，則應(yīng)該首先將其實(shí)現(xiàn)為Python中的一個模塊，這需要編寫相應(yīng)的封裝接口，如下所示：
21例7:wrap.c
#include
PyObject*wrap_fact(PyObject*self,PyObject*args)
{
intn,result;
if(!PyArg_ParseTuple(args,"i:fact",&n))
returnNULL;
result=fact(n);
returnPy_BuildValue("i",result);
}
staticPyMethodDefexampleMethods[]=
{
{"fact",wrap_fact,METH_VARARGS,"Caculate N!"},
{NULL,NULL}
};
voidinitexample()
{
PyObject*m;
m=Py_InitModule("example",exampleMethods);
}
一個典型的Python擴(kuò)展模塊至少應(yīng)該包含三個部分：導(dǎo)出函數(shù)、方法列表和初始化函數(shù)。
3.2 導(dǎo)出函數(shù)
要在Python解釋器中使用C語言中的某個函數(shù)，首先要為其編寫相應(yīng)的導(dǎo)出函數(shù)，上述例子中的導(dǎo)出函數(shù)為wrap_fact。在Python的C語言擴(kuò)展中，所有的導(dǎo)出函數(shù)都具有相同的函數(shù)原型：
1
PyObject*method(PyObject*self,PyObject*args);
該函數(shù)是Python解釋器和C函數(shù)進(jìn)行交互的接口，帶有兩個參數(shù)：self和args。參數(shù)self只在C函數(shù)被實(shí)現(xiàn)為內(nèi)聯(lián)方法(built-in method)時才被用到，通常該參數(shù)的值為空(NULL)。參數(shù)args中包含了Python解釋器要傳遞給C函數(shù)的所有參數(shù)，通常使用Python的C語言擴(kuò)展接口提供的函數(shù)PyArg_ParseTuple()來獲得這些參數(shù)值。
所有的導(dǎo)出函數(shù)都返回一個PyObject指針，如果對應(yīng)的C函數(shù)沒有真正的返回值(即返回值類型為void)，則應(yīng)返回一個全局的None對象(Py_None)，并將其引用計(jì)數(shù)增1，如下所示：
1
2
3
4
5PyObject*method(PyObject *self,PyObject *args)
{
Py_INCREF(Py_None);
returnPy_None;
}
3.3 方法列表
方法列表中給出了所有可以被Python解釋器使用的方法，上述例子對應(yīng)的方法列表為：
1
2
3
4
5staticPyMethodDefexampleMethods[]=
{
{"fact",wrap_fact,METH_VARARGS,"Caculate N!"},
{NULL,NULL}
};
方法列表中的每項(xiàng)由四個部分組成：方法名、導(dǎo)出函數(shù)、參數(shù)傳遞方式和方法描述。方法名是從Python解釋器中調(diào)用該方法時所使用的名字。參數(shù)傳遞方式則規(guī)定了Python向C函數(shù)傳遞參數(shù)的具體形式，可選的兩種方式是METH_VARARGS和METH_KEYWORDS，其中METH_VARARGS是參數(shù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)形式，它通過Python的元組在Python解釋器和C函數(shù)之間傳遞參數(shù)，若采用METH_KEYWORD方式，則Python解釋器和C函數(shù)之間將通過Python的字典類型在兩者之間進(jìn)行參數(shù)傳遞。
3.4 初始化函數(shù)
所有的Python擴(kuò)展模塊都必須要有一個初始化函數(shù)，以便Python解釋器能夠?qū)δK進(jìn)行正確的初始化。Python解釋器規(guī)定所有的初始化函數(shù)的函數(shù)名都必須以init開頭，并加上模塊的名字。對于模塊example來說，則相應(yīng)的初始化函數(shù)為:
1
2
3
4
5voidinitexample()
{
PyObject*m;
m=Py_InitModule("example",exampleMethods);
}
當(dāng)Python解釋器需要導(dǎo)入該模塊時，將根據(jù)該模塊的名稱查找相應(yīng)的初始化函數(shù)，一旦找到則調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作，初始化函數(shù)則通過調(diào)用Python的C語言擴(kuò)展接口所提供的函數(shù)Py_InitModule()，來向Python解釋器注冊該模塊中所有可以用到的方法。
3.5 編譯鏈接
要在Python解釋器中使用C語言編寫的擴(kuò)展模塊，必須將其編譯成動態(tài)鏈接庫的形式。下面以RedHat Linux 8.0為例，
-I/usr/lib/python2.2/config
example.cwrapper.c
3.6 引入Python解釋器
當(dāng)生成Python擴(kuò)展模塊的動態(tài)鏈接庫后，就可以在Python解釋器中使用該擴(kuò)展模塊了，與Python自帶的模塊一樣，擴(kuò)展模塊也是通過import命令引入后再使用的，如下所示：
Python2.2.1(#1, Aug 30 2002, 12:15:30)
[GCC3.220020822(RedHatLinuxRawhide3.2-4)]onlinux2
Type"help","copyright","credits"or"license"formoreinformation.
>>>importexample
>>>example.fact(4)
24
>>>
四、結(jié)束語
作為一門功能強(qiáng)大的腳本語言，Python將被更加廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。為了克服腳本語言執(zhí)行速度慢的問題，Python提供了相應(yīng)的C語言擴(kuò)展接口，通過將影響執(zhí)行性能的關(guān)鍵代碼用C語言實(shí)現(xiàn)，可以很大程度上提高用Python編寫的腳本在運(yùn)行時的速度，從而滿足實(shí)際需要。
學(xué)好python你需要一個良好的環(huán)境，一個優(yōu)質(zhì)的開發(fā)交流群，群里都是那種相互幫助的人才是可以的，我有建立一個python學(xué)習(xí)交流群，在群里我們相互幫助，相互關(guān)心，相互分享內(nèi)容，這樣出問題幫助你的人就比較多，群號是301，還有056，最后是051，這樣就可以找到大神聚合的群，如果你只愿意別人幫助你，不愿意分享或者幫助別人，那就請不要加了，你把你會的告訴別人這是一種分享。
