怎么为Python写一个C++扩展模块
源代码
和往常一样,你可以在 GitHub 上找到相关的源代码。仓库中的 C++ 文件有以下用途:
my_py_module.cpp
: Python 模块MyModule
的定义my_cpp_class.h
: 一个头文件 - 只有一个暴露给 Python 的 C++ 类my_class_py_type.h/cpp
: Python 形式的 C++ 类pydbg.cpp
: 用于调试的单独应用程序
本文构建的 Python 模块不会有任何实际用途,但它是一个很好的示例。
构建模块
在查看源代码之前,你可以检查它是否能在你的系统上编译。我使用 CMake 来创建构建的配置信息,因此你的系统上必须安装 CMake。为了配置和构建这个模块,可以让 Python 去执行这个过程:
$python3setup.pybuild
或者手动执行:
$cmake-Bbuild$cmake--buildbuild
之后,在 /build
子目录下你会有一个名为 MyModule. so
的文件。
定义扩展模块
首先,看一下 my_py_module.cpp
文件,尤其是 PyInit_MyModule
函数:
PyMODINIT_FUNCPyInit_MyModule(void){ PyObject*module=PyModule_Create(& my_module); PyObject*myclass=PyType_FromSpec(& spec_myclass); if(myclass==NULL){ returnNULL; } Py_INCREF(myclass); if(PyModule_AddObject(module,"MyClass",myclass)0){ Py_DECREF(myclass); Py_DECREF(module); returnNULL; } returnmodule; }
这是本例中最重要的代码,因为它是 CPython 的入口点。一般来说,当一个 Python C 扩展被编译并作为共享对象二进制文件提供时,CPython 会在同名二进制文件中(.so
)搜索 PyInit_
函数,并在试图导入时执行它。
无论是声明还是实例,所有 Python 类型都是 PyObject 的一个指针。在此函数的第一部分中,module
通过 PyModule_Create(...)
创建的。正如你在 module
详述(my_py_module
,同名文件)中看到的,它没有任何特殊的功能。
之后,调用 PyType_FromSpec 为自定义类型 MyClass
创建一个 Python 堆类型 定义。一个堆类型对应于一个 Python 类,然后将它赋值给 MyModule
模块。
注意,如果其中一个函数返回失败,则必须减少以前创建的复制对象的引用计数,以便解释器删除它们。
指定 Python 类型
MyClass
详述在 my_class_py_type.h 中可以找到,它作为 PyType_Spec 的一个实例:
staticPyType_Specspec_myclass={ "MyClass",//namesizeof(MyClassObject)+sizeof(MyClass),//basicsize0,//itemsizePy_TPFLAGS_DEFAULT|Py_TPFLAGS_BASETYPE,//flagsMyClass_slots//slots} ;
它定义了一些基本类型信息,它的大小包括 Python 表示的大小(MyClassObject
)和普通 C++ 类的大小(MyClass
)。MyClassObject
定义如下:
typedefstruct{ PyObject_HEADintm_value; MyClass*m_myclass; } MyClassObject;
Python 表示的话就是 PyObject 类型,由 PyObject_HEAD
宏和其他一些成员定义。成员 m_value
视为普通类成员,而成员 m_myclass
只能在 C++ 代码内部访问。
PyType_Slot 定义了一些其他功能:
staticPyType_SlotMyClass_slots[]={ { Py_tp_new,(void*)MyClass_new} ,{ Py_tp_init,(void*)MyClass_init} ,{ Py_tp_dealloc,(void*)MyClass_Dealloc} ,{ Py_tp_members,MyClass_members} ,{ Py_tp_methods,MyClass_methods} ,{ 0,0} /*Sentinel*/} ;
在这里,设置了一些初始化和析构函数的跳转,还有普通的类方法和成员,还可以设置其他功能,如分配初始属性字典,但这是可选的。这些定义通常以一个哨兵结束,包含 NULL
值。
要完成类型详述,还包括下面的方法和成员表:
staticPyMethodDefMyClass_methods[]={ { "addOne",(PyCFunction)MyClass_addOne,METH_NOARGS,PyDoc_STR("Returnanincrmentedinteger")} ,{ NULL,NULL} /*Sentinel*/} ; staticstructPyMemberDefMyClass_members[]={ { "value",T_INT,offsetof(MyClassObject,m_value)} ,{ NULL} /*Sentinel*/} ;
在方法表中,定义了 Python 方法 addOne
,它指向相关的 C++ 函数 MyClass_addOne
。它充当了一个包装器,它在 C++ 类中调用 addOne()
方法。
在成员表中,只有一个为演示目的而定义的成员。不幸的是,在 PyMemberDef 中使用的 offsetof 不允许添加 C++ 类型到 MyClassObject
。如果你试图放置一些 C++ 类型的容器(如 std::optional),编译器会抱怨一些内存布局相关的警告。
初始化和析构
MyClass_new
方法只为 MyClassObject
提供一些初始值,并为其类型分配内存:
PyObject*MyClass_new(PyTypeObject*type,PyObject*args,PyObject*kwds){ std::cout"MtClass_new()called!"std::endl; MyClassObject*self; self=(MyClassObject*)type-> tp_alloc(type,0); if(self!=NULL){ //-> 分配成功//赋初始值self-> m_value=0; self-> m_myclass=NULL; } return(PyObject*)self; }
实际的初始化发生在 MyClass_init
中,它对应于 Python 中的 __init__() 方法:
intMyClass_init(PyObject*self,PyObject*args,PyObject*kwds){ ((MyClassObject*)self)-> m_value=123; MyClassObject*m=(MyClassObject*)self; m-> m_myclass=(MyClass*)PyObject_Malloc(sizeof(MyClass)); if(!m-> m_myclass){ PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError,"Memoryallocationfailed"); return-1; } try{ new(m-> m_myclass)MyClass(); } catch(conststd::exception& ex){ PyObject_Free(m-> m_myclass); m-> m_myclass=NULL; m-> m_value=0; PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError,ex.what()); return-1; } catch(...){ PyObject_Free(m-> m_myclass); m-> m_myclass=NULL; m-> m_value=0; PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError,"Initializationfailed"); return-1; } return0; }
如果你想在初始化过程中传递参数,必须在此时调用 PyArg_ParseTuple。简单起见,本例将忽略初始化过程中传递的所有参数。在函数的第一部分中,PyObject
指针(self
)被强转为 MyClassObject
类型的指针,以便访问其他成员。此外,还分配了 C++ 类的内存,并执行了构造函数。
注意,为了防止内存泄漏,必须仔细执行异常处理和内存分配(还有释放)。当引用计数将为零时,MyClass_dealloc
函数负责释放所有相关的堆内存。在文档中有一个章节专门讲述关于 C 和 C++ 扩展的内存管理。
包装方法
从 Python 类中调用相关的 C++ 类方法很简单:
PyObject*MyClass_addOne(PyObject*self,PyObject*args){ assert(self); MyClassObject*_self=reinterpret_cast(self); unsignedlongval=_self-> m_myclass-> addOne(); returnPyLong_FromUnsignedLong(val); }
同样,PyObject
参数(self
)被强转为 MyClassObject
类型以便访问 m_myclass
,它指向 C++ 对应类实例的指针。有了这些信息,调用 addOne()
类方法,并且结果以 Python 整数对象 返回。
3 种方法调试
出于调试目的,在调试配置中编译 CPython 解释器是很有价值的。详细描述参阅 官方文档。只要下载了预安装的解释器的其他调试符号,就可以按照下面的步骤进行操作。
GNU 调试器
当然,老式的 GNU 调试器(GDB) 也可以派上用场。源码中包含了一个 gdbinit 文件,定义了一些选项和断点,另外还有一个 gdb.sh 脚本,它会创建一个调试构建并启动一个 GDB 会话:
Gnu 调试器(GDB)对于 Python C 和 C++ 扩展非常有用
GDB 使用脚本文件 main.py 调用 CPython 解释器,它允许你轻松定义你想要使用 Python 扩展模块执行的所有操作。
C++ 应用
另一种方法是将 CPython 解释器嵌入到一个单独的 C++ 应用程序中。可以在仓库的 pydbg.cpp 文件中找到:
intmain(intargc,char*argv[],char*envp[]){ Py_SetProgramName(L"DbgPythonCppExtension"); Py_Initialize(); PyObject*pmodule=PyImport_ImportModule("MyModule"); if(!pmodule){ PyErr_Print(); std::cerr"FailedtoimportmoduleMyModule"std::endl; return-1; } PyObject*myClassType=PyObject_GetAttrString(pmodule,"MyClass"); if(!myClassType){ std::cerr"UnabletogettypeMyClassfromMyModule"std::endl; return-1; } PyObject*myClassInstance=PyObject_CallObject(myClassType,NULL); if(!myClassInstance){ std::cerr"InstantioationofMyClassfailed"std::endl; return-1; } Py_DecRef(myClassInstance); //invokedeallocationreturn0; }
使用 高级接口,可以导入扩展模块并对其执行操作。它允许你在本地 IDE 环境中进行调试,还能让你更好地控制传递或来自扩展模块的变量。
缺点是创建一个额外的应用程序的成本很高。
VSCode 和 VSCodium LLDB 扩展
使用像 CodeLLDB 这样的调试器扩展可能是最方便的调试选项。仓库包含了一些 VSCode/VSCodium 的配置文件,用于构建扩展,如 task.json、CMake Tools 和调用调试器(launch.json)。这种方法结合了前面几种方法的优点:在图形 IDE 中调试,在 Python 脚本文件中定义操作,甚至在解释器提示符中动态定义操作。
VSCodium 有一个集成的调试器。
用 C++ 扩展 Python
Python 的所有功能也可以从 C 或 C++ 扩展中获得。虽然用 Python 写代码通常认为是一件容易的事情,但用 C 或 C++ 扩展 Python 代码是一件痛苦的事情。另一方面,虽然原生 Python 代码比 C++ 慢,但 C 或 C++ 扩展可以将计算密集型任务提升到原生机器码的速度。
你还必须考虑 ABI 的使用。稳定的 ABI 提供了一种方法来保持旧版本 CPython 的向后兼容性,如 文档 所述。
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