陳飆松+李云鵬+陸旭澤

摘要： 基于Python的可擴(kuò)展性，針對SiPESC平臺對于動態(tài)解釋型腳本語言環(huán)境的需求，設(shè)計并開發(fā)可動態(tài)集成SiPESC平臺上系統(tǒng)管理、算法調(diào)用、分析計算等功能的Python擴(kuò)展模塊.討論擴(kuò)展模塊開發(fā)過程中的用戶需求、程序設(shè)計以及相關(guān)技術(shù).SiPESC.OPT與Python第三方庫的集成優(yōu)化算例表明，該擴(kuò)展模塊能順利驅(qū)動SiPESC平臺上復(fù)雜工作流程，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和靈活性.

關(guān)鍵詞： Python； SiPESC； 腳本語言； 擴(kuò)展模塊

中圖分類號： TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)研究與科學(xué)計算之間的關(guān)系日益密切，人們對于科學(xué)計算工具的需求已不再局限于處理數(shù)值問題.各種格式的大型數(shù)據(jù)集的處理、新算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)庫與互聯(lián)網(wǎng)等計算系統(tǒng)的搭建等問題都需要新工具解決.[1]Python以其優(yōu)越的跨平臺性和強(qiáng)大的科學(xué)計算功能，正獲得越來越多科研人員的青睞.不少商業(yè)CAE軟件也提供對Python腳本語言的支持，例如Abaqus二次開發(fā)環(huán)境提供的腳本接口就是基于Python語言進(jìn)行定制開發(fā)的.

目前，SiPESC平臺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對JavaScript腳本語言的支持，用戶可以通過JavaScript語言調(diào)用平臺上所有的功能插件完成各種任務(wù).為進(jìn)一步豐富SiPESC平臺的腳本語言環(huán)境，彌補(bǔ)JavaScript語言在模塊開放性等方面的不足，平臺開發(fā)小組引進(jìn)Python作為新的腳本支持引擎.在SiPESC平臺上Python具有以下優(yōu)勢：

1）執(zhí)行相應(yīng)操作所需的代碼少，代碼編寫簡單.[2]

2）通過判斷、循環(huán)和數(shù)據(jù)存儲與處理等語句，易于實(shí)現(xiàn)人工智能控制和自動化處理過程.

3）對優(yōu)化問題易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化分析，且代碼結(jié)構(gòu)合理易讀，便于修改.

4）可以編寫?yīng)毩⒌哪K，使用Python，C，C++和Fortran等語言擴(kuò)展SiPESC平臺的功能.

5）提供優(yōu)秀的異常拋出和處理機(jī)制，縮短調(diào)試腳本的時間.

1Python語言及其擴(kuò)展方法

1.1Python語言概述

Python是一門優(yōu)雅而健壯的編程語言，繼承傳統(tǒng)編譯語言的強(qiáng)大性和通用性，同時也借鑒簡單腳本和解釋語言的易用性.[3]其高效率的高層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和簡單易學(xué)的面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)，在很多平臺上都得到很好的應(yīng)用，成為在這些平臺上進(jìn)行快速應(yīng)用程序開發(fā)的主流腳本語言.[4]Python能夠在Linux，Windows，Mac OS，F(xiàn)reeBSD和Solaris等主流操作系統(tǒng)中運(yùn)行，其代碼幾乎無須進(jìn)行任何修改就能在這些操作系統(tǒng)中執(zhí)行，具有很強(qiáng)的跨平臺性.自從1989年Guido van Rossum始創(chuàng)Python以來，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，Python已經(jīng)包含一系列完善、簡易的標(biāo)準(zhǔn)庫，足以完成文本處理、算法實(shí)現(xiàn)、科學(xué)計算、文件管理、界面設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)通信等常見任務(wù)，同時其還提供一套豐富的API，能夠幫助程序員輕松地使用其他編程語言編寫擴(kuò)展模塊.這種可擴(kuò)展性讓程序員能靈活附加或定制工具，大大縮短開發(fā)周期，并使代碼的性能得到顯著提升.[3]

1.2Python的通用擴(kuò)展方法

早期的編程語言并不具備可擴(kuò)展性，程序員只能使用現(xiàn)有的功能而無法向該語言增加新的功能.Python作為最早一批提供可擴(kuò)展性能的語言，在支持使用純Python語言編寫擴(kuò)展的同時，也支持C，C++和Java等主流編程語言的擴(kuò)展.抽象的動態(tài)加載機(jī)制讓擴(kuò)展與解釋器之間的交互方式與Python的內(nèi)置模塊完全一致，并且不區(qū)分編寫擴(kuò)展所使用的語言.

Python擴(kuò)展模塊主要通過Python的C語言應(yīng)用程序編程接口Python/C API實(shí)現(xiàn)，其創(chuàng)建過程主要分以下幾個步驟[57]：

1）包含Python頭文件.通過Python.h文件導(dǎo)入到Python API并完成必要的預(yù)處理定義.

2）編寫具體實(shí)現(xiàn)并封裝.使用其他編程語言實(shí)現(xiàn)具體的功能函數(shù)和類，并將其封裝成能讓Python解釋器識別的形式.

3）編寫初始化函數(shù).初始化函數(shù)主要完成模塊對象創(chuàng)建和導(dǎo)入工作.

4）編譯和鏈接.可以通過Python自身提供的distutils包或g++和gcc等編譯器完成編譯和鏈接.

除以上的擴(kuò)展方法外，也可以通過第三方的封裝工具，如Boost.Python，SWIG，Pyrex和Psyco等編寫Python的擴(kuò)展模塊.

2擴(kuò)展模塊的設(shè)計

傳統(tǒng)的Python擴(kuò)展模塊封裝方法為靜態(tài)封裝，即每項擴(kuò)展中增加一個新的功能，都需修改源代碼，并重新編譯.這種封裝方法工作量大，缺乏靈活性，開發(fā)效率低，也無法匹配SiPESC平臺的開放性.本文采用動態(tài)封裝的方法，充分利用SiPESC平臺軟件體系的動態(tài)性，實(shí)現(xiàn)對任意插件的自動封裝而無須修改源代碼.這種自動封裝技術(shù)也是SiPESC平臺腳本語言環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)（見圖1）中的重要環(huán)節(jié).

圖 1SiPESC.LAB軟件體系結(jié)構(gòu)

Fig.1Software architecture of SiPESC.LAB

2.1擴(kuò)展模塊的系統(tǒng)分析

2.1.1用戶需求分析

不同的用戶對SiPESC平臺和Python腳本語言的了解程度不同，其使用Python擴(kuò)展模塊的目的也不盡相同.可以將Python擴(kuò)展模塊的用戶分成以下2類.

1）普通用戶，指對Python腳本語言了解很少甚至從未接觸過Python，僅想通過腳本調(diào)用SiPESC平臺的插件進(jìn)行一般計算分析或其他基本操作的用戶.對于該類用戶，要盡量使擴(kuò)展模塊中調(diào)用SiPESC平臺功能插件所要使用的腳本代碼規(guī)范化，讓他們能通過使用手冊中的介紹或示例很容易地編寫腳本、調(diào)用插件.為此，Python擴(kuò)展模塊的設(shè)計要結(jié)構(gòu)清晰，層次分明，不容易造成混淆，讓用戶一目了然.同時，擴(kuò)展模塊中的類名、函數(shù)名要盡量與原有JavaScript腳本引擎一致，保證那些JavaScript用戶也能很快適應(yīng)新的腳本引擎.endprint

2）高級用戶，指非常熟悉Python語言并能熟練使用Python的一些第三方擴(kuò)展庫的用戶.他們不僅想通過腳本使用平臺的功能，同時還想利用Python的第三方庫進(jìn)行一些高級應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多模塊的集成.為了能讓平臺的功能與Python的第三方庫更好地結(jié)合，需要在設(shè)計擴(kuò)展模塊時盡量使用Python的內(nèi)建數(shù)據(jù)類型，同時讓模塊里的方法更加通用，完善對常用第三方庫中數(shù)據(jù)類型的支持.

2.1.2任務(wù)分析

基于SiPESC平臺的Python擴(kuò)展模塊的價值在于為Python腳本語言與SiPESC集成平臺之間搭建一座橋梁，在極大擴(kuò)展Python功能的同時也方便平臺中腳本語言的使用.任何一臺安裝SiPESC集成平臺和Python環(huán)境的用戶計算機(jī)，都可以在不啟動平臺的情況下，使用幾行簡單的腳本代碼調(diào)用平臺的各個功能，而高級用戶更是能結(jié)合平臺的計算分析功能以及Python第三方庫的其他功能，搭建一個功能強(qiáng)大的集成環(huán)境.

通過獨(dú)立的腳本代碼即可調(diào)用SiPESC的各功能插件，需要讓擴(kuò)展模塊完全脫離平臺的GUI界面，而通過鏈接SiPESC平臺中插件管理相關(guān)的動態(tài)庫實(shí)現(xiàn)兩者的交互.平臺插件與Python第三方庫的結(jié)合使用，需要規(guī)范擴(kuò)展模塊的數(shù)據(jù)類型，盡可能使用Python的內(nèi)建類型，提高數(shù)據(jù)類型在各擴(kuò)展中的兼容性.同時， 針對SiPESC平臺的軟件結(jié)構(gòu)體系，需要擴(kuò)展模塊必須具有一定的動態(tài)性，即對于已有或未來開發(fā)的插件都能在不修改代碼、不重新編譯的情況下被擴(kuò)展模塊動態(tài)地加載使用.

2.1.3接口分析

為實(shí)現(xiàn)Python腳本與SiPESC平臺的交互，需要分析SiPESC平臺插件管理機(jī)制，尋找關(guān)鍵的接口，并實(shí)現(xiàn)在擴(kuò)展模塊中封裝.這樣，Python解釋器就能通過這些接口訪問SiPESC平臺中的各功能插件，完成相應(yīng)的工作.SiPESC平臺采用統(tǒng)一的接口管理模式[8]，其插件管理器類圖見圖插件管理器類用于管理系統(tǒng)中所有的插件，包括加載、卸載和查詢等操作.平臺啟動時會首先調(diào)用initialize方法初始化插件管理器，創(chuàng)建全局的插件管理器對象.可以使用getManager方法獲得相應(yīng)的插件管理器對象，并通過注冊、加載和啟用擴(kuò)展等方法動態(tài)地配置所需的平臺環(huán)境.平臺上具體的功能通過各個擴(kuò)展對象實(shí)現(xiàn)，由功能擴(kuò)展管理器類創(chuàng)建并管理.

功能擴(kuò)展管理器類實(shí)現(xiàn)對各種插件中的功能擴(kuò)展的管理和查詢等功能.SiPESC平臺中功能擴(kuò)展管理器類圖見圖3.

getManager方法用于獲得一個全局功能擴(kuò)展管理器對象，由這個全局對象管理平臺上的各種功能，實(shí)現(xiàn)插件的調(diào)用與功能擴(kuò)展對象的創(chuàng)建等.createExtension方法用于創(chuàng)建一個指定名稱的功能擴(kuò)展對象.createExtensionCaller方法則只用于內(nèi)部使用，無須暴露給用戶.其他的方法均提供相應(yīng)的查詢功能，方便用戶獲取擴(kuò)展對象的具體信息.

2.2擴(kuò)展模塊中類的設(shè)計

根據(jù)對SiPESC平臺接口的分析，為實(shí)現(xiàn)使用Python腳本調(diào)用SiPESC平臺上的插件的功能，需要在擴(kuò)展模塊中封裝一個MExtensionManager類，向用戶提供通過腳本代碼對SiPESC平臺上的插件進(jìn)行查詢、管理和調(diào)用的功能.同時，其能獲得所調(diào)用的插件中的功能擴(kuò)展對象，利用創(chuàng)建擴(kuò)展對象的方法創(chuàng)建相應(yīng)的功能擴(kuò)展對象，并可以訪問該對象的全部方法和屬性.

為更好地控制擴(kuò)展模塊中底層的數(shù)據(jù)處理和對象創(chuàng)建過程，不使用第三方擴(kuò)展工具，而是純粹利用Python/C API實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的編寫.同時，由于SiPESC平臺是基于Qt開發(fā)的，為能與SiPESC平臺插件管理器中的類型互相兼容，在編寫擴(kuò)展時大量地使用Qt庫中的類型.區(qū)別于傳統(tǒng)的Python擴(kuò)展模塊編寫方法，為實(shí)現(xiàn)動態(tài)封裝機(jī)制，還需使用JIT（即時編譯）技術(shù).[910]

對于擴(kuò)展模塊中的MExtensionManager類，其接口與SiPESC平臺上的功能擴(kuò)展管理器類的接口基本一致，且返回值均為PyObject*類型（構(gòu)造函數(shù)除外）.其實(shí)擴(kuò)展模塊只是將平臺的接口進(jìn)行二次封裝，具體實(shí)現(xiàn)時調(diào)用的仍是平臺上的方法.MExtensionManager類是擴(kuò)展模塊的一個靜態(tài)類，根據(jù)Python擴(kuò)展的規(guī)則，其所有的方法都必須是靜態(tài)的，而且只能有2個參數(shù)，類型也只能是PyObject*.

3擴(kuò)展模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1擴(kuò)展模塊的運(yùn)行流程

程序能否正確地實(shí)現(xiàn)所采用的理論和方法并正確地運(yùn)行，流程（框圖）設(shè)計是先導(dǎo)和關(guān)鍵.根據(jù)上文對基于SiPESC平臺的Python擴(kuò)展模塊的設(shè)計，可以畫出該擴(kuò)展模塊在平臺上使用時的工作流程圖，見圖4.全局插件管理器對象的初始化與獲取在擴(kuò)展模塊的初始化函數(shù)中完成，其他步驟均通過函數(shù)的封裝實(shí)現(xiàn).流程圖中對功能擴(kuò)展類是否已注冊的查詢，可以防止重復(fù)注冊相同的功能擴(kuò)展類，提高運(yùn)行效率.

圖 4Python擴(kuò)展模塊的運(yùn)行流程

3.2PyObject與QVariant的類型轉(zhuǎn)換

在具體實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊中的類時，Python對象與QVariant對象之間的類型轉(zhuǎn)換被反復(fù)地使用.前文已經(jīng)提到過，Python中所有方法的返回值都是PyObject*類型，其參數(shù)也必須是PyObject*類型，這些PyObject*指針都指向各自的Python對象.但是，SiPESC平臺上所有方法的返回值和參數(shù)均為QVariant類型，因此必須實(shí)現(xiàn)PyObject與QVariant之間的相互轉(zhuǎn)換.Python提供PyObject與C數(shù)據(jù)類型對象相互轉(zhuǎn)換的API，而QVariant與C數(shù)據(jù)類型對象之間的相互轉(zhuǎn)換也很容易實(shí)現(xiàn)，這樣便能通過2次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)PyObject與QVariant的轉(zhuǎn)換.

作為一種動態(tài)語言，Python腳本語言中的變量在使用前不需要聲明、定義，其類型根據(jù)給變量所賦的值自動判斷，可以大大地簡化從PyObject對象轉(zhuǎn)換成QVariant類型的過程.可以使用Python中判斷變量類型的API加上類型轉(zhuǎn)換函數(shù)自動完成PyObject到QVariant的轉(zhuǎn)換，而無須知道PyObject在Python中屬于哪種類型.將PyObject轉(zhuǎn)換為QVariant的函數(shù)原型為endprint

QVariant PyObjToQVariant（PyObject* obj）

PyObject類型的指針指向需要轉(zhuǎn)換的Python對象，可以通過PyObject_TypeCheck接口判斷該對象在Python中表示的類型，之后調(diào)用相應(yīng)的Python類型轉(zhuǎn)換API（如PyInt_AS_LONG）將該對象轉(zhuǎn)換為C語言的數(shù)據(jù)類型，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為QVariant類型.

同理，可以使用QVariant的內(nèi)置方法將其轉(zhuǎn)換為C數(shù)據(jù)類型，并調(diào)用相應(yīng)的API（如PyInt_FromLong）完成向PyObject類型的轉(zhuǎn)換.實(shí)現(xiàn)這個過程的函數(shù)原型為

PyObject* QVarToPyObj（const QVariant& val）

3.3MExtensionManager類的封裝

在擴(kuò)展模塊中，只有MExtensionManager類是靜態(tài)定義的，用于實(shí)現(xiàn)SiPESC平臺上的功能擴(kuò)展的加載和調(diào)用，其他功能擴(kuò)展類都通過MExtensionManager類在Python引擎上創(chuàng)建、注冊和調(diào)用.因此，在擴(kuò)展模塊中只實(shí)現(xiàn)MExtensionManager一個類，而該類的結(jié)構(gòu)與SiPESC平臺功能擴(kuò)展管理器類一致，擴(kuò)展模塊中的方法內(nèi)部調(diào)用的其實(shí)也是平臺上的方法.由SiPESC平臺插件管理器的接口可知，該類中大多數(shù)的方法都是用來進(jìn)行查詢的，對于這些類方法，實(shí)現(xiàn)很簡單，只需將從腳本獲得的參數(shù)轉(zhuǎn)換為QVariant類型，并傳給平臺調(diào)用功能擴(kuò)展管理器類的相應(yīng)方法，獲得返回值，然后將返回值轉(zhuǎn)換回PyObject*類型并輸出.

createExtension方法是MExtensionManager類中最關(guān)鍵的方法，其根據(jù)獲得的參數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的功能擴(kuò)展類對象.該方法在被調(diào)用時先查詢該功能擴(kuò)展類是否已在Python引擎中注冊，若未注冊，則先獲取功能擴(kuò)展類的信息對象（MextensionInfo對象），接著根據(jù)這個信息創(chuàng)建相應(yīng)的類（如果該類的父類未在Python引擎中注冊，則會先創(chuàng)建父類），然后將創(chuàng)建的類注冊給Python，最后通過類的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建對象并返回.同時，創(chuàng)建的對象將會被存儲起來，供腳本調(diào)用.

使用createExtension方法創(chuàng)建Python的新類型時，需要提供該類的方法列表，該方法列表為以下形式的結(jié)構(gòu)體：

ml_name為函數(shù)名，ml_meth為函數(shù)指針，ml_flags指示函數(shù)的調(diào)用方式，ml_doc則為函數(shù)說明.其中，由于動態(tài)性的需求，ml_meth通過JIT技術(shù)在運(yùn)行時動態(tài)獲得，而其他參數(shù)可根據(jù)對應(yīng)的MExtensionInfo對象確定.

3.4初始化函數(shù)的編寫

在完成MExtensionManager類的封裝之后，需要編寫擴(kuò)展模塊的初始化函數(shù).Python中創(chuàng)建一個模塊的API原型為

PyObject* Py_InitModule3（char *name， PyMethodDef *methods， char *doc）

Python根據(jù)模塊名name和模塊層的方法列表methods構(gòu)造一個新模塊并返回.如果參數(shù)doc不為空，則此處為模塊的一些信息.為向模塊中添加自定義類，還需要在模塊的初始化函數(shù)中使用添加自定義類的API，其原型為

int PyModule_AddObject（PyObject *module， const char *name， PyObject *value）

module為之前創(chuàng)建的模塊，name為自定義類的名字，value則是定義類在Python中的類對象的結(jié)構(gòu)體，包含自定義類的全部信息.因為本擴(kuò)展模塊的動態(tài)特性，只有MExtensionManager類是在初始化時便添加到模塊中，其他類均在使用時根據(jù)需求動態(tài)地添加，所以創(chuàng)建的模塊必須是一個全局的靜態(tài)變量，這樣在程序的每個地方，都能使用這個變量添加類.同時，在初始化函數(shù)中還需調(diào)用SiPESC平臺中MPluginManager類的initialize方法完成平臺的初始化.

4應(yīng)用實(shí)例

為驗證本文實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展模塊在驅(qū)動SiPESC平臺復(fù)雜工作流程中的實(shí)用性及其與Python第三方庫的良好兼容性，考慮圖5所示的GARTEUR飛機(jī)模型的修正問題，通過優(yōu)化6個部位的彈性模量，使模型前9階振動頻率與試驗值的方差取最小值.

該算例通過SiPESC.OPT插件控制優(yōu)化流程，由ANSYS進(jìn)行頻率計算，并通過Python的二維畫圖庫Matplotlib實(shí)現(xiàn)迭代歷程的輸出，見圖6.整個優(yōu)化過程都通過Python的腳本代碼驅(qū)動，其中部分關(guān)鍵的語句如下：

5結(jié)論

基于SiPESC平臺的開放性設(shè)計并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的Python擴(kuò)展模塊.通過該擴(kuò)展模塊，可以使用腳本語言調(diào)用SiPESC中的插件實(shí)現(xiàn)數(shù)值計算和優(yōu)化分析等功能，并可集成Python的第三方庫，創(chuàng)建復(fù)雜工作流程.本文提出動態(tài)封裝的思想，相對于傳統(tǒng)的靜態(tài)封裝方式，提高擴(kuò)展模塊的靈活性，節(jié)約開發(fā)時間.目前，該擴(kuò)展模塊的主要功能已基本完成，下一步工作將集中在完善動態(tài)類型轉(zhuǎn)換機(jī)制以及大量復(fù)雜實(shí)例的測試上.

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（編輯武曉英）endprint