在 python 中调用 C/C++

在Python中调用C/C++代码是一种优化性能或重用已有代码的重要方式。由于C/C++的执行速度较快，我们可以将计算密集型的部分用C/C++编写，再通过Python进行调用，这样可以组合两者的优点。

方法一：使用Python的C扩展

Python提供了一种直接调用C/C++代码的方法，即编写Python的C扩展模块。这种方式比较复杂，但是能提供最好的性能。

步骤如下：

1. 创建一个C文件，例如example.c：

#include <Python.h>

// C函数
static PyObject* example_function(PyObject* self, PyObject* args) {
    int input;
    // 解析Python传入的参数
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &input)) {
        return NULL;
    }
    // 计算平方
    int result = input * input;
    // 返回结果
    return Py_BuildValue("i", result);
}

// 方法列表
static PyMethodDef ExampleMethods[] = {
    {"example_function", example_function, METH_VARARGS, "计算输入的平方"},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

// 模块定义
static struct PyModuleDef examplemodule = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "example",   // 模块名称
    NULL,        // 模块文档
    -1,          // 模块大小
    ExampleMethods
};

// 模块初始化
PyMODINIT_FUNC PyInit_example(void) {
    return PyModule_Create(&examplemodule);
}

1. 创建setup.py文件以编译这个C扩展模块：

from setuptools import setup, Extension

module = Extension('example', sources=['example.c'])

setup(
    name='example',
    version='1.0',
    description='一个示例C扩展模块',
    ext_modules=[module],
)

1. 编译扩展模块：

在终端中运行：

python setup.py build

1. 在Python中调用这个模块：

import example

result = example.example_function(10)
print(f"10的平方是：{result}")

方法二：使用ctypes库

ctypes是Python的一个内置库，可以用来调用C语言编写的动态链接库。这个方法相对简单，可以直接调用编译好的C共享库。

步骤如下：

1. 创建C代码并编译成共享库，例如example.c：

#include <stdio.h>

int square(int x) {
    return x * x;
}

编译这个文件为共享库（Linux上为.so，Windows上为.dll）：

gcc -shared -o example.so -fPIC example.c

1. 在Python中调用这个共享库：

import ctypes

# 加载共享库
example = ctypes.CDLL('./example.so')

# 调用C函数
example.square.argtypes = (ctypes.c_int,)
example.square.restype = ctypes.c_int

result = example.square(10)
print(f"10的平方是：{result}")

方法三：使用Cython

Cython是一种更高级的方式，它允许你使用类似Python的语法编写C扩展，Cython会将其转换为C代码。

1. 创建一个Cython文件，例如example.pyx：

def square(int x):
    return x * x

1. 创建setup.py文件用于编译Cython模块：

from setuptools import setup
from Cython.Build import cythonize

setup(
    ext_modules=cythonize("example.pyx"),
)

1. 编译Cython模块：

python setup.py build_ext --inplace

1. 在Python中使用这个模块：

import example

result = example.square(10)
print(f"10的平方是：{result}")

总结

在Python中调用C/C++提供了多个方法，不同的方法适用于不同的场景。使用C扩展可以获得最佳性能，而使用ctypes和Cython则相对简单，适合快速开发和重用已有的代码。通过这些技术，我们能够在保持Python便捷性的同时，利用C/C++的高性能计算能力。