Ubuntu系統(tǒng)中Python無縫調用C程序的實現(xiàn)

韋立梅 張淑榮

(廣東白云學院，廣東 廣州 510450)

1 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)計算、系統(tǒng)運維、網(wǎng)絡爬蟲等技術的興起，Python作為目前最火的腳本語言，以其優(yōu)雅、簡單、功能強大、開發(fā)效率高、跨平臺等優(yōu)點，被廣泛應用于這些領域。C語言是一種編譯型語言，介于高級和低級語言之間，C程序的運行必須要經(jīng)過編譯后，生成機器碼，然后再運行，執(zhí)行速度快，但不能跨平臺，目前主要用于操作系統(tǒng)、驅動等底層的開發(fā)。在實際開發(fā)中，程序員往往會把程序中的性能瓶頸部分的實現(xiàn)，以擴展的方式用C程序來完成，而業(yè)務邏輯部分的實現(xiàn)，則用Python這種高度集成、適合開發(fā)大型項目的程序設計語言來完成，從而揚長避短，充分發(fā)揮出兩種語言的各自優(yōu)勢。

2 用C語言擴展Python的流程

（1）創(chuàng)建C源代碼（.c）；

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

（3）編譯與測試。

3 具體實現(xiàn)步驟

3.1 創(chuàng)建C程序功能源代碼

（1）首先進入Ubuntu系統(tǒng)，這里選擇在桌面下，新建一個文件夾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)建一個名為MaxRun.c的源文件，實現(xiàn)定義一個求兩數(shù)最大值的函數(shù)maxn，并在主函數(shù)main中調用maxn這個函數(shù)。具體代碼如下：

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

圖1 gcc編譯及運行后的輸出結果

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

3.2 創(chuàng)建包裹模塊，包裝編寫好的C代碼

包裹模塊是C源代碼與Python解釋器之間進行交互的橋梁。Python和C就是通過這個模塊，完成無縫適配的。在剛建好的pythonexc文件夾中，新建一個名字為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）中所寫的每一個函數(shù)（maxn和test）增加一個靜態(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)類型的轉換。每個包裹函數(shù)的返回類型為PyObject*，包裹函數(shù)的名字：模塊_函數(shù)名，如本例中應為兩個函數(shù)命名為Max-Run_maxn和MaxRun_test，相應的包裹函數(shù)代碼及功能說明如圖2所示。

圖2 包裹函數(shù)代碼及功能說明

第三部分：為模塊增加一個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)與對應的包裹函數(shù)一一列舉在數(shù)組中，以便Python解釋器能夠導入并調用這些函數(shù)，最后的兩個NULL表示函數(shù)聲明結束。函數(shù)聲明數(shù)組代碼及格式說明如圖3所示。

圖3 函數(shù)聲明數(shù)組的定義及格式說明

第四部分：函數(shù)的初始化聲明。

初始化聲明中的代碼，會在包裹模塊被python導入時進行調用，完成初始化C模塊以及這個模塊所包含的函數(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，并測試

為了讓Python的擴展能夠被創(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，以便在其它Python文件中引入這個C擴展。使用Python中的distutils包來編譯、安裝和分發(fā)這些模塊、擴展和包。步驟如下：

（1）創(chuàng)建setup.py

在Python中是由setup函數(shù)完成編譯，應為每一個擴展創(chuàng)建一個Extension實例，我們這里只有一個擴展。setup.py文件中的代碼及相關參數(shù)說明如圖4所示。

圖4 setup.py文件代碼及相關參數(shù)說明

（2）運行setup.py編譯和連接C的擴展代碼

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*.so（這里是MaxRun.so）的動態(tài)庫文件，表示編譯成功。該文件會被存放在pythonexc/bulid/lib.*目錄下。

（3）從Python中導入模塊和測試

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，會把生成的動態(tài)庫文件.so復制到Ubuntu的公共庫中，然后就可以用importMaxRun命令導入該擴展模塊的動態(tài)庫文件?？梢栽趇python中以交互的方式測試，也可以新建一個python文件，用import命令導入該擴展模塊，就可以無縫調用C擴展模塊中的函數(shù)了。

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

圖5 測試文件代碼及輸出結果

4 結束語

在實際應用開發(fā)中，以下兩種情況可以考慮用C語言來擴展Python：一是當需要大規(guī)模的計算，遇到性能瓶頸的效率提升時；二是需要保持源碼的私密性，如加密解密算法時。在用Python開發(fā)項目的時候，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。