使用Python的 C 扩展模块

简介

Python的C扩展模块可以让程序员使用C或C++编写Python的扩展模块，以实现对Python的功能扩展。通过C扩展模块，程序员可以利用C或C++的高效性和底层硬件控制能力来实现高性能或低级别的Python扩展功能，比如嵌入式开发、网络编程、图像处理等。

优点

• 提高Python扩展的性能和效率
• 可以使用底层硬件控制能力
• 提供了对C/C++库的直接访问，方便了程序员的开发工作
• C/C++代码可以通过Python语言的语法进行封装和调用

缺点

• 复杂度高：相比纯Python模块，C扩展模块需要更高的开发和维护成本。
• 易于出错：C/C++由于语法的复杂性，代码出错难以调试。

安装和使用

安装

在安装之前，需要先安装Python开发环境和相关的库文件。安装方法如下：

Linux环境

$ apt-get install python3-dev
$ apt-get install python3-pip

Windows环境

• 首先安装C/C++编译器：Visual Studio Community
• 安装Python的开发环境：Python3.8.0rc1
• 通过pip安装setuptools和wheel：

$ python -m pip install --upgrade pip setuptools wheel

编写和编译

下面是一个简单例子：实现一个计算平均值的函数。

1. 在PROJECT_HOME目录下创建一个C文件example.c文件：

#include <Python.h>

static PyObject* example_avg(PyObject* self, PyObject* args) {
    PyObject* lst;  // 接收Python列表
    double sum = 0;  // 平均值
    int n;           // 列表长度
    PyObject* item;  // 列表元素

    // 解析Python参数
    if(!PyArg_ParseTuple(args, "O", &lst)) {
        return NULL;
    }

    // 遍历Python列表
    n = PyList_Size(lst);
    if(n < 1) {
        PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "list must have at least one item");
        return NULL;
    }
    for(int i = 0; i < n; ++i) {
        item = PyList_GetItem(lst, i);
        if(!PyFloat_Check(item)) {
            PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "list items must be float");
            return NULL;
        }
        sum += PyFloat_AsDouble(item);
    }

    // 计算平均值并返回
    return Py_BuildValue("d", sum/n);
}

// 方法列表
static PyMethodDef ExampleMethods[] = {
    {"avg", example_avg, METH_VARARGS, "Return the average of a list of numbers."},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

// 模块信息
static struct PyModuleDef examplemodule = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "example",  // 模块名
    NULL,
    -1,
    ExampleMethods
};

// 模块初始化函数
PyMODINIT_FUNC PyInit_example(void) {
    return PyModule_Create(&examplemodule);
}

2. 在PROJECT_HOME目录下创建setup.py文件

from setuptools import setup, Extension

def main():
    setup(
        name="example",
        version="1.0",
        ext_modules=[
            Extension("example", ["example.c"])
        ],
    )

if __name__ == '__main__':
    main()

3. 编译构建扩展模块

执行下面的命令进行模块安装和编译：

$ python setup.py install

使用示例

import example

lst = [1.0, 2.0, 3.0]
print(example.avg(lst))  # 输出结果为：2.0

总结

Python的C扩展模块为程序员提供了底层硬件控制能力和高效执行性能，同时也为开发高性能Python模块提供了方法。需要注意的是，C/C++语法的复杂性和调试难度较高，因此需要程序员具备较高的编程技巧和经验。