韋立梅 張淑榮

(廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450)

1 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)計(jì)算、系統(tǒng)運(yùn)維、網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等技術(shù)的興起，Python作為目前最火的腳本語(yǔ)言，以其優(yōu)雅、簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)效率高、跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。C語(yǔ)言是一種編譯型語(yǔ)言，介于高級(jí)和低級(jí)語(yǔ)言之間，C程序的運(yùn)行必須要經(jīng)過(guò)編譯后，生成機(jī)器碼，然后再運(yùn)行，執(zhí)行速度快，但不能跨平臺(tái)，目前主要用于操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)等底層的開(kāi)發(fā)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，程序員往往會(huì)把程序中的性能瓶頸部分的實(shí)現(xiàn)，以擴(kuò)展的方式用C程序來(lái)完成，而業(yè)務(wù)邏輯部分的實(shí)現(xiàn)，則用Python這種高度集成、適合開(kāi)發(fā)大型項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)完成，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮出兩種語(yǔ)言的各自?xún)?yōu)勢(shì)。

2 用C語(yǔ)言擴(kuò)展Python的流程

（1）創(chuàng)建C源代碼（.c）；

（2）把C源代碼打包成庫(kù)文件，也就是Python類(lèi)型適配，創(chuàng)建包裹函數(shù)（.c），包裝C代碼；

（3）編譯與測(cè)試。

3 具體實(shí)現(xiàn)步驟

3.1 創(chuàng)建C程序功能源代碼

（1）首先進(jìn)入U(xiǎn)buntu系統(tǒng)，這里選擇在桌面下，新建一個(gè)文件夾pythonexc（以下創(chuàng)建的所有文件/夾都存放在該文件夾中，以方便管理），在該文件夾中創(chuàng)建一個(gè)名為MaxRun.c的源文件，實(shí)現(xiàn)定義一個(gè)求兩數(shù)最大值的函數(shù)maxn，并在主函數(shù)main中調(diào)用maxn這個(gè)函數(shù)。具體代碼如下：

（2）打開(kāi)Ubuntu中的終端窗口，使用cd命令進(jìn)入到桌面的pythonexc文件夾，然后使用gcc命令對(duì)C源文件編譯鏈接生成可執(zhí)行文件后，并運(yùn)行，看結(jié)果是否正確（在這步一定要保證所編寫(xiě)C代碼的正確性，以避免在Python中調(diào)試C的麻煩），編譯及輸出結(jié)果如下圖1所示，若正確，再將main函數(shù)重命名為如test（作為擴(kuò)展模塊，不能有main函數(shù)，避免同名沖突），才能進(jìn)行下一步的操作。

圖1 gcc編譯及運(yùn)行后的輸出結(jié)果

（3）編寫(xiě)相應(yīng)的MaxRun.h頭文件，將定義的兩個(gè)函數(shù)maxn和test封裝到該頭文件里，在包裹模塊中需要調(diào)用它，代碼如下：

3.2 創(chuàng)建包裹模塊，包裝編寫(xiě)好的C代碼

包裹模塊是C源代碼與Python解釋器之間進(jìn)行交互的橋梁。Python和C就是通過(guò)這個(gè)模塊，完成無(wú)縫適配的。在剛建好的pythonexc文件夾中，新建一個(gè)名字為MaxRun-Wrapper.c的源文件，作為MaxRun.c的包裹模塊。包裹模塊的代碼從上到下主要分為四部分：

第一部分代碼：包含Python.h等的頭文件。

Python.h頭文件一般存放在/usr/local/include/python2.x中，如果沒(méi)有可以在終端輸入命令：sudo apt-get install python-dev，安裝Python。在包裹函數(shù)的最上面加入如下四行C代碼：

第二部分代碼：為被包裹的C功能源代碼（MaxRun）中所寫(xiě)的每一個(gè)函數(shù)（maxn和test）增加一個(gè)靜態(tài)的PyObject*Module_func()的包裹函數(shù)。

包裹函數(shù)的作用就是在Python和C之間完成數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。每個(gè)包裹函數(shù)的返回類(lèi)型為PyObject*，包裹函數(shù)的名字：模塊_函數(shù)名，如本例中應(yīng)為兩個(gè)函數(shù)命名為Max-Run_maxn和MaxRun_test，相應(yīng)的包裹函數(shù)代碼及功能說(shuō)明如圖2所示。

圖2 包裹函數(shù)代碼及功能說(shuō)明

第三部分：為模塊增加一個(gè)PyMethodDef Module-Methods[]的函數(shù)聲明數(shù)組。

創(chuàng)建完包裹函數(shù)后，需要用函數(shù)聲明數(shù)組的方式，把C功能源代碼中定義的函數(shù)與對(duì)應(yīng)的包裹函數(shù)一一列舉在數(shù)組中，以便Python解釋器能夠?qū)氩⒄{(diào)用這些函數(shù)，最后的兩個(gè)NULL表示函數(shù)聲明結(jié)束。函數(shù)聲明數(shù)組代碼及格式說(shuō)明如圖3所示。

圖3 函數(shù)聲明數(shù)組的定義及格式說(shuō)明

第四部分：函數(shù)的初始化聲明。

初始化聲明中的代碼，會(huì)在包裹模塊被python導(dǎo)入時(shí)進(jìn)行調(diào)用，完成初始化C模塊以及這個(gè)模塊所包含的函數(shù)的作用。初始化聲明代碼如下：

至此，包裹模塊已經(jīng)全部完成，保存在MaxRunWrapper.c文件中。

3.3 編譯安裝到Python環(huán)境，并測(cè)試

為了讓Python的擴(kuò)展能夠被創(chuàng)建，需要把C源代碼、C源代碼頭文件、包裹模塊文件放在一起編譯，放到Python庫(kù)，以便在其它Python文件中引入這個(gè)C擴(kuò)展。使用Python中的distutils包來(lái)編譯、安裝和分發(fā)這些模塊、擴(kuò)展和包。步驟如下：

（1）創(chuàng)建setup.py

在Python中是由setup函數(shù)完成編譯，應(yīng)為每一個(gè)擴(kuò)展創(chuàng)建一個(gè)Extension實(shí)例，我們這里只有一個(gè)擴(kuò)展。setup.py文件中的代碼及相關(guān)參數(shù)說(shuō)明如圖4所示。

圖4 setup.py文件代碼及相關(guān)參數(shù)說(shuō)明

（2）運(yùn)行setup.py編譯和連接C的擴(kuò)展代碼

在Ubuntu終端中執(zhí)行如下命令：python setup.py build。如果最終能生成一個(gè)*.so（這里是MaxRun.so）的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件，表示編譯成功。該文件會(huì)被存放在pythonexc/bulid/lib.*目錄下。

（3）從Python中導(dǎo)入模塊和測(cè)試

在Ubuntu終端中執(zhí)行如下命令：sudo python setup.py install。安裝我們的setup.py文件，會(huì)把生成的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件.so復(fù)制到Ubuntu的公共庫(kù)中，然后就可以用importMaxRun命令導(dǎo)入該擴(kuò)展模塊的動(dòng)態(tài)庫(kù)文件?？梢栽趇python中以交互的方式測(cè)試，也可以新建一個(gè)python文件，用import命令導(dǎo)入該擴(kuò)展模塊，就可以無(wú)縫調(diào)用C擴(kuò)展模塊中的函數(shù)了。

以新建一個(gè)pytest.py文件為例，在其中導(dǎo)入C擴(kuò)展模塊，并調(diào)用其中的test函數(shù)、代碼及輸出效果如圖5所示。

圖5 測(cè)試文件代碼及輸出結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，以下兩種情況可以考慮用C語(yǔ)言來(lái)擴(kuò)展Python：一是當(dāng)需要大規(guī)模的計(jì)算，遇到性能瓶頸的效率提升時(shí)；二是需要保持源碼的私密性，如加密解密算法時(shí)。在用Python開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的時(shí)候，如果能夠有效地借力C程序，可以大大提升程序的效率，是現(xiàn)在很多程序員經(jīng)常采用的編程方式。