在Python中使用 C 代码 |设置 2

简介

在Python中使用C代码是一种强大的技术，它能够充分利用C语言的性能优势来增强Python的功能。通过与C语言的交互，我们可以编写高效的底层代码，以提高Python程序的性能。

本文将介绍如何在Python中使用C代码，并包含了以下内容：

1. C语言和Python的交互方式。
2. 使用C语言编写Python扩展模块。
3. 使用Cython将Python代码转换为C代码。
4. 使用ctypes库调用动态链接库中的C函数。

C语言和Python的交互方式

Python提供了多种方法与C语言进行交互，包括Python的C API、Cython和ctypes库。

• Python的C API: Python的C API是一组函数和宏，允许在C语言中调用Python解释器，以及在Python解释器中调用C函数。这种方式需要对C和Python都有较高的理解，并且编写的C代码必须遵循Python的API规范。

• Cython: Cython是一个语法扩展，它允许在Python代码中使用C语言的语法。Cython可以将包含Cython标记的Python代码转换为C代码，并将其编译为Python扩展模块。这种方式简化了C语言与Python的交互，但需要对Cython语法有一定的了解。

• ctypes库: ctypes库是Python的标准库之一，它提供了一种直接调用动态链接库中C函数的方式。这种方式最简单易用，不需要编写额外的C代码，适合快速集成已有的C函数库。

使用C语言编写Python扩展模块

C语言编写的Python扩展模块可以被Python解释器直接调用，具有高性能和低级别的特点。

下面是一个简单的示例，展示如何使用C语言编写一个Python扩展模块：

#include <Python.h>

static PyObject* add(PyObject* self, PyObject* args) {
    int a, b;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {
        return NULL;
    }
    int result = a + b;
    return Py_BuildValue("i", result);
}

static PyMethodDef methods[] = {
    {"add", add, METH_VARARGS, "Add two integers."},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

static struct PyModuleDef module = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "my_module",
    "A simple module.",
    -1,
    methods
};

PyMODINIT_FUNC PyInit_my_module(void) {
    return PyModule_Create(&module);
}

上述代码定义了一个名为my_module的Python模块，其中包含了一个用于计算两个整数相加的函数add。该模块中的C函数可以通过Python的C API进行调用。

要将此C代码编译为Python扩展模块，可以使用distutils模块提供的工具，或者其他的类似方法。编译后生成的扩展模块可以直接在Python中导入和使用。

使用Cython将Python代码转换为C代码

Cython是一种基于Python语法的语法扩展，可以将包含Cython标记的Python代码转换为C代码，并将其编译为Python扩展模块。

下面是使用Cython编写的与上述C代码功能相同的示例：

def add(int a, int b):
    return a + b

在文件保存为.pyx后缀后，可以使用Cython命令将其转换为C代码：

cythonize -i my_module.pyx

命令执行后，会生成一个my_module.c的文件，其中包含了与上述C代码等效的内容。

然后，可以使用Python的C API将该C代码编译为Python扩展模块，并在Python中导入和使用。

使用ctypes库调用动态链接库中的C函数

ctypes库是Python的标准库之一，可以用来调用动态链接库中的C函数。

下面是一个使用ctypes库调用C标准库函数的示例：

import ctypes

# 加载动态链接库
libc = ctypes.CDLL("libc.so.6")

# 调用C函数
result = libc.strlen("Hello, world!")  # 获取字符串的长度
print(result)

上述代码加载了C标准库libc.so.6，并调用了strlen函数来获取字符串的长度。使用ctypes库可以方便地使用已有的C函数库，无需修改原始C代码。

结论

通过上述介绍，我们了解了在Python中使用C代码的三种主要方法：Python的C API、Cython和ctypes库。每种方法都有不同的使用场景和优势，可以根据具体需求选择合适的方式来增强Python程序的性能。

使用C语言与Python进行交互可以充分发挥两者的优势，提高程序的运行效率和执行速度。这是Python程序员在需要提高性能时的重要工具之一。

【参考链接】

• Extending Python with C or C++
• Cython Documentation
• ctypes — A foreign function library for Python