Python（五）Python_C API详细

1、 概述

Python 的应用编程接口（API）使得 C 和 C++ 程序员可以在多个层级上访问 Python 解释器。该 API 在 C++ 中同样可用，但为简化描述，通常将其称为 Python/C API。使用 Python/C API 有两个基本的理由。第一个理由是为了特定目的而编写 扩展模块；它们是扩展 Python 解释器功能的 C 模块。这可能是最常见的使用场景。第二个理由是将 Python 用作更大规模应用的组件；这种技巧通常被称为在一个应用中 embedding Python。

2、 Python/C API的定义与用途

Python/C API是Python提供的一组接口，允许C语言程序与Python解释器进行交互。通过这些API，开发者可以在C语言中调用Python代码，创建Python对象，甚至可以将Python嵌入到C程序中。这种交互方式使得开发者能够利用C语言的高效性能，同时享受Python的灵活性和易用性。

用途包括：

• 扩展模块开发：开发者可以使用Python/C API编写扩展模块，将C语言的高效算法封装为Python模块，从而在Python中调用。这对于需要高效计算的场景尤为重要，比如科学计算、图像处理等。

• 嵌入Python解释器：如果你有一个用C或C++编写的应用程序，并希望在其中使用Python的强大功能，Python/C API允许你将Python解释器嵌入到你的应用中。这使得你可以在应用程序中执行Python代码，甚至可以通过Python脚本来扩展应用的功能。

• 与Python对象交互：Python/C API提供了一系列函数，允许C/C++程序员创建、操作和管理Python对象。这意味着你可以在C/C++代码中直接使用Python的数据结构和功能。

3、扩展模块的基本结构

扩展模块的基本结构可以看作是一个C/C++程序的框架，但它包含了一些特定于Python的元素。一个标准的扩展模块通常包括以下几个部分：

3.1、 头文件

首先，我们需要包含Python的头文件，以便使用Python的API。

#include <Python.h>

3.2、模块方法的定义

在模块中定义需要暴露给Python的函数。这些函数的返回值类型通常是PyObject*，并且需要遵循特定的参数格式。

static PyObject* my_function(PyObject* self, PyObject* args) {// 函数实现
}

3.3、方法表

创建一个方法表，将模块中的所有方法与其名称关联起来。

static PyMethodDef MyMethods[] = {{"my_function", my_function, METH_VARARGS, "Description of my_function"},{NULL, NULL, 0, NULL} // 结束标志
};

3.4、模块定义

使用PyModuleDef结构体来定义模块的名称、文档字符串、方法表等信息。

static struct PyModuleDef mymodule = {PyModuleDef_HEAD_INIT,"mymodule", // 模块名称NULL, // 模块文档-1, //// 模块状态（-1表示全局状态）MyMethods // 方法表
};

3.5、模块初始化函数

每个扩展模块都需要一个初始化函数，通常命名为PyInit_<module_name>。这个函数会在模块被导入时被调用，负责初始化模块。

PyMODINIT_FUNC PyInit_mymodule(void) {return PyModule_Create(&mymodule);
}

4、 编写扩展模块的步骤

编写扩展模块的过程可以分为几个简单的步骤

4.1、设置开发环境

确保你的开发环境中已经安装了Python的开发包和C/C++编译器。对于大多数Linux系统，可以通过以下命令安装Python开发包：

sudo apt-get install python3-dev

4.2、创建C源文件

创建一个新的C源文件，例如mymodule.c，并在文件中包含Python.h头文件。

#include <Python.h>

4.3、定义模块方法

在文件中定义你希望在Python中使用的函数。例如，定义一个简单的加法函数：

static PyObject* add(PyObject* self, PyObject* args) {int a, b;if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {return NULL;  // 参数解析失败}return PyLong_FromLong(a + b);