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用C語言擴展Python的功能

一、簡介

Python是一門功能強大的高級腳本語言,它的強大不僅表現在其自身的功能上,而且還表現在其良好的可擴展性上,正因如此,Python已經開始受到越來越多人的青睐,並且被屢屢成功地應用於各類大型軟件系統的開發過程中。

與其它普通腳本語言有所不同,Python程序員可以借助Python語言提供的API,使用C或者C++來對Python進行功能性擴展,從而即可以利用Python方便靈活的語法和功能,又可以獲得與C或者C++幾乎相同的執行性能。執行速度慢是幾乎所有腳本語言都具有的共性,也是倍受人們指責的一個重要因素,Python則通過與C語言的有機結合巧妙地解決了這一問題,從而使腳本語言的應用范圍得到了很大擴展。

在用Python開發實際軟件系統時,很多時候都需要使用C/C++來對Python進行擴展。最常見的情況是目前已經存在一個用C編寫的庫,需要在Python語言中使用該庫的某些功能,此時就可以借助Python提供的擴展功能來實現。此外,由於Python從本質上講還是一種腳本語言,某些功能用Python實現可能很難滿足實際軟件系統對執行效率的要求,此時也可以借助Python提供的擴展功能,將這些關鍵代碼段用C或者C++實現,從而提供程序的執行性能。

本文主要介紹Python提供的C語言擴展接口,以及如何使用這些接口和C/C++語言來對Python進行功能性擴展,並輔以具體的實例講述如何實現Python的功能擴展。

二、Python的C語言接口

Python是用C語言實現的一種腳本語言,本身具有優良的開放性和可擴展性,並提供了方便靈活的應用程序接口(API),從而使得C/C++程序員能夠在各個級別上對Python解釋器的功能進行擴展。在使用C/C++對Python進行功能擴展之前,必須首先掌握Python解釋所提供的C語言接口。

2.1 Python對象(PyObject)

Python是一門面向對象的腳本語言,所有的對象在Python解釋器中都被表示成PyObject,PyObject結構包含Python對象的所有成員指針,並且對Python對象的類型信息和引用計數進行維護。在進行Python的擴展編程時,一旦要在C或者C++中對Python對象進行處理,就意味著要維護一個PyObject結構。

在Python的C語言擴展接口中,大部分函數都有一個或者多個參數為PyObject指針類型,並且返回值也大都為PyObject指針。

2.2 引用計數

為了簡化內存管理,Python通過引用計數機制實現了自動的垃圾回收功能,Python中的每個對象都有一個引用計數,用來計數該對象在不同場所分別被引用了多少次。每當引用一次Python對象,相應的引用計數就增1,每當消毀一次Python對象,則相應的引用就減1,只有當引用計數為零時,才真正從內存中刪除Python對象。

下面的例子說明了Python解釋器如何利用引用計數來對Pyhon對象進行管理:

[python]
  1. 例1:refcount.py  
  2. class refcount:  
  3.     # etc.   
  4. r1 = refcount() # 引用計數為1   
  5. r2 = r1         # 引用計數為2   
  6. del(r1)         # 引用計數為1   
  7. del(r2)         # 引用計數為0,刪除對象   
  8.   
  9.    

在C/C++中處理Python對象時,對引用計數進行正確的維護是一個關鍵問題,處理不好將很容易產生內存洩漏。Python的C語言接口提供了一些宏來對引用計數進行維護,最常見的是用Py_INCREF()來增加使Python對象的引用計數增1,用Py_DECREF()來使Python對象的引用計數減1。

2.3 數據類型

Python定義了六種數據類型:整型、浮點型、字符串、元組、列表和字典,在使用C語言對Python進行功能擴展時,首先要了解如何在C和Python的數據類型間進行轉化。

2.3.1 整型、浮點型和字符串

在Python的C語言擴展中要用到整型、浮點型和字符串這三種數據類型時相對比較簡單,只需要知道如何生成和維護它們就可以了。下面的例子給出了如何在C語言中使用Python的這三種數據類型:

[cpp]
  1. 例2:typeifs.c  
  2. // build an integer   
  3. PyObject* pInt = Py_BuildValue("i", 2003);  
  4. assert(PyInt_Check(pInt));  
  5. int i = PyInt_AsLong(pInt);  
  6. Py_DECREF(pInt);  
  7. // build a float   
  8. PyObject* pFloat = Py_BuildValue("f", 3.14f);  
  9. assert(PyFloat_Check(pFloat));  
  10. float f = PyFloat_AsDouble(pFloat);  
  11. Py_DECREF(pFloat);  
  12. // build a string   
  13. PyObject* pString = Py_BuildValue("s""Python");  
  14. assert(PyString_Check(pString);  
  15. int nLen = PyString_Size(pString);  
  16. char* s = PyString_AsString(pString);  
  17. Py_DECREF(pString);  
  18.   
  19.    

2.3.2 元組

Python語言中的元組是一個長度固定的數組,當Python解釋器調用C語言擴展中的方法時,所有非關鍵字(non-keyword)參數都以元組方式進行傳遞。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的元組類型:

[cpp]
  1. 例3:typetuple.c  
  2. // create the tuple   
  3. PyObject* pTuple = PyTuple_New(3);  
  4. assert(PyTuple_Check(pTuple));  
  5. assert(PyTuple_Size(pTuple) == 3);  
  6. // set the item   
  7. PyTuple_SetItem(pTuple, 0, Py_BuildValue("i", 2003));  
  8. PyTuple_SetItem(pTuple, 1, Py_BuildValue("f", 3.14f));  
  9. PyTuple_SetItem(pTuple, 2, Py_BuildValue("s""Python"));  
  10. // parse tuple items   
  11. int i;  
  12. float f;  
  13. char *s;  
  14. if (!PyArg_ParseTuple(pTuple, "ifs", &i, &f, &s))  
  15.     PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "invalid parameter");  
  16. // cleanup   
  17. Py_DECREF(pTuple);  
  18.   
  19.    

2.3.3 列表

Python語言中的列表是一個長度可變的數組,列表比元組更為靈活,使用列表可以對其存儲的Python對象進行隨機訪問。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的列表類型:

[cpp]
  1. 例4:typelist.c  
  2. // create the list   
  3. PyObject* pList = PyList_New(3); // new reference   
  4. assert(PyList_Check(pList));  
  5. // set some initial values   
  6. for(int i = 0; i < 3; ++i)  
  7.     PyList_SetItem(pList, i, Py_BuildValue("i", i));  
  8. // insert an item   
  9. PyList_Insert(pList, 2, Py_BuildValue("s""inserted"));  
  10. // append an item   
  11. PyList_Append(pList, Py_BuildValue("s""appended"));  
  12. // sort the list   
  13. PyList_Sort(pList);  
  14. // reverse the list   
  15. PyList_Reverse(pList);  
  16. // fetch and manipulate a list slice   
  17. PyObject* pSlice = PyList_GetSlice(pList, 2, 4); // new reference   
  18. for(int j = 0; j < PyList_Size(pSlice); ++j) {  
  19.   PyObject *pValue = PyList_GetItem(pList, j);  
  20.   assert(pValue);  
  21. }  
  22. Py_DECREF(pSlice);  
  23. // cleanup   
  24. Py_DECREF(pList);  
  25.   
  26.    

2.3.4 字典

Python語言中的字典是一個根據關鍵字進行訪問的數據類型。下面的例子示范了如何在C語言中使用Python的字典類型:

[cpp]
  1. 例5:typedic.c  
  2. // create the dictionary   
  3. PyObject* pDict = PyDict_New(); // new reference   
  4. assert(PyDict_Check(pDict));  
  5. // add a few named values   
  6. PyDict_SetItemString(pDict, "first",   
  7.                      Py_BuildValue("i", 2003));  
  8. PyDict_SetItemString(pDict, "second",   
  9.                      Py_BuildValue("f", 3.14f));  
  10. // enumerate all named values   
  11. PyObject* pKeys = PyDict_Keys(); // new reference   
  12. for(int i = 0; i < PyList_Size(pKeys); ++i) {  
  13.   PyObject *pKey = PyList_GetItem(pKeys, i);  
  14.   PyObject *pValue = PyDict_GetItem(pDict, pKey);  
  15.   assert(pValue);  
  16. }  
  17. Py_DECREF(pKeys);  
  18. // remove a named value   
  19. PyDict_DelItemString(pDict, "second");  
  20. // cleanup   
  21. Py_DECREF(pDict);  
  22.   
  23.     
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