为Python编写一个简单的C语言扩展模块

最近在看pytorh方面的东西，不得不承认现在这个东西比较火，有些小好奇，下载了代码发现其中计算部分基本都是C++写的，这真是要我对这个所谓Python语音编写的框架或者说是库感觉到一丢丢的小失落，细细看了一下其中主要的思想就是逻辑控制部分都是用Python写的，计算部分这是用C++语言为其编写的扩展模块，而这扩展模块接口这是用纯C语言编写的，不得不说Python和C++真是从C发展处理的，不好用的时候就调用C，然后就搞定了，言归正传，其思路是用C和SSE和CUDA做连接，说白了就是C扩展模块一部分是在CPU上做运算的，这部分是用C++和SSE（向量计算来操作的），另一部分是在GPU上用CUDA来操作的，由此我便在好奇之下对这C扩展有了一些小好奇，本文则是对此进行了一些阐述。

本文是在 Python Cookbook 第三版 15.2 编写简单C语言扩展模块的基础上继续的。

目录结构如下：

其中，sample 文件夹如下：

其中的 sample.c sample.h 为标准C语言程序和头文件，具体如下：

/* sample.h */

extern int gcd(int x, int y);

extern int in_mandel(double x0, double y0, int n);

extern int divide(int a, int b, int *remainder);

/* sample.c */

#include <math.h>

/* Compute the greatest common divisor */

int gcd(int x, int y) {

    int g = y;

    while (x > ) {

        g = x;

        x = y % x;

        y = g;

    }

    return g;

}

/* Test if (x0,y0) is in the Mandelbrot set or not */

int in_mandel(double x0, double y0, int n) {

  double x=,y=,xtemp;

  while (n > ) {

    xtemp = x*x - y*y + x0;

    y = *x*y + y0;

    x = xtemp;

    n -= ;

    if (x*x + y*y > ) return ;

  }

  return ;

}

/* Divide two numbers */

int divide(int a, int b, int *remainder) {

  int quot = a / b;

  *remainder = a % b;

  return quot;

}

gcc -shared -fPIC sample.c -o libsample.so

可以把这个标准C文件编译成标准动态库，即 libsample.so

该操作在本文中没有任何意义，只为了证明该C语言文件正确。

在上一级目录执行如下命令：

python3 setup.py build_ext --inplace

其中，sample.cpython-35m-x86_64-linux-gnu.so 就是编译好的动态链接库，也就是我们的扩展模块。

以上编译操作中的 setup.py 文件内容如下：

# setup.py

from distutils.core import setup, Extension

setup(name="sample",

      ext_modules=[

        Extension("sample",

                  ["sample/sample.c", "pysample.c"],

                  include_dirs = ['sample'],

                  )

        ]

)

其中，name 是指编译好以后的Python包名称，这里面我们并没有实际意义，因为我们编译好以后只要这个模块即.so文件。

["sample/sample.c", "pysample.c"] 是我们编写的C语言代码，其中sample.c 是我们编写的功能代码， pysample.c 则是负责 C语言与Python 之间的语言交互。

Extension("sample",  是模块名称，  即 .so 文件名称。该名称不能随意更改，必须与pysample.c 的定义相同，否则 Python中是无法识别出模块的内容的。

其实，给Python写C语言扩展重要的，或者说难度较大的不一定是功能代码，这里则是sample.c 代码，  而是负责在两个环境中做数值转换的代码，也就是  pysample.c ， 该代码才是真正扩展所要解决的。

某种程度上 pysample.c 更像是接口，  就像 头文件对于标准c文件一样。

测试编译好以后的扩展是否可用：

#example.py

import sample

print(sample.gcd(,))

print(sample.in_mandel(,,))

print(sample.in_mandel(2.0,1.0,))

print(sample.divide(,))

=========================================================================

以下则是核心代码，也就是接口代码或者说是环境转换代码：

pysample.c

#include "Python.h"

#include "sample.h"

/* int gcd(int, int) */

static PyObject *py_gcd(PyObject *self, PyObject *args) {

  int x, y, result;

  if (!PyArg_ParseTuple(args,"ii", &x, &y)) {

    return NULL;

  }

  result = gcd(x,y);

  return Py_BuildValue("i", result);

}

/* int in_mandel(double, double, int) */

static PyObject *py_in_mandel(PyObject *self, PyObject *args) {

  double x0, y0;

  int n;

  int result;

  if (!PyArg_ParseTuple(args, "ddi", &x0, &y0, &n)) {

    return NULL;

  }

  result = in_mandel(x0,y0,n);

  return Py_BuildValue("i", result);

}

/* int divide(int, int, int *) */

static PyObject *py_divide(PyObject *self, PyObject *args) {

  int a, b, quotient, remainder;

  if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {

    return NULL;

  }

  quotient = divide(a,b, &remainder);

  return Py_BuildValue("(ii)", quotient, remainder);

}

/* Module method table */

static PyMethodDef SampleMethods[] = {

  {"gcd",  py_gcd, METH_VARARGS, "Greatest common divisor"},

  {"in_mandel", py_in_mandel, METH_VARARGS, "Mandelbrot test"},

  {"divide", py_divide, METH_VARARGS, "Integer division"},

  { NULL, NULL, 0, NULL}

};

/* Module structure */

static struct PyModuleDef samplemodule = {

  PyModuleDef_HEAD_INIT,

  "sample",           /* name of module */

  "A sample module",  /* Doc string (may be NULL) */

  -1,                 /* Size of per-interpreter state or -1 */

  SampleMethods       /* Method table */

};

/* Module initialization function */

PyMODINIT_FUNC

PyInit_sample(void) {

  return PyModule_Create(&samplemodule);

}

接口文件中：

/* Module initialization function */

PyMODINIT_FUNC

PyInit_sample(void) {

  return PyModule_Create(&samplemodule);

}

是接口的初始化代码，也是接口代码中唯一的一个非STATIC函数，该函数非静态允许在Python类中调用，也就是 import sample 时候的操作。

返回类型 PyMODINIT_FUNC 说明返回的是模块的创建对象，也就是 import sample 中的模块。

PyInit_sample  该函数名的前部分是固定不变的， PyInit_  是固定格式， 后面跟着的 sample 则是模块名称。

PyModule_Create 是具体的  模块创建代码，  其中  的参数则是  模块结构的说明变量的 地址，  也就是本文的 samplemodule  变量。

/* Module structure */

static struct PyModuleDef samplemodule = {

  PyModuleDef_HEAD_INIT,

  "sample",           /* name of module */

  "A sample module",  /* Doc string (may be NULL) */

  -1,                 /* Size of per-interpreter state or -1 */

  SampleMethods       /* Method table */

};

其中， “sample” 是模块名称， “ A sample module” 是模块的文档， -1 表示该模块不能被多个Python解释器同时公用（也就是不能保证并发访问的安全性）。

重点的是 SampleMethods 这个是模块中方法的描述变量，也就是方法表。

模块的描述变量中比较要人不理解的是这个变量 PyModuleDef_HEAD_INIT ，这个变量形式上来看应该是一个宏定义的变量，这个变量的存在好像并没有什么意义。

为了进一步了解宏定义变量 PyModuleDef_HEAD_INIT 查询了以下资料：

https://docs.python.org/3/c-api/module.html#c.PyModuleDef.m_base

PyModuleDef

The module definition struct, which holds all information needed to create a module object. There is usually only one statically initialized variable of this type for each module.

PyModuleDef_Base m_base: Always initialize this member to PyModuleDef_HEAD_INIT.

由此可以看出这个变量在Python的C 扩展中是固定不变的，并没有必要继续深究，固定如此就好。

不过好奇心使然又接着继续研究了以下，发现下面的资料：

http://blog.csdn.net/cleverwyq/article/details/12130577

已经编译好的代码附上：

https://files.cnblogs.com/files/devilmaycry812839668/writing_a_simple_c_extension_module.tar.gz

环境为 Ubuntu 16.04 x86_64

gcc5.0

python3.5

巴特西

为Python编写一个简单的C语言扩展模块

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