C++ 扩展和嵌入 Python
2011年02月17日
Python简介
Python是一种简单易学,功能强大的解释型编程语言,它有简洁明了的语法,高效率的高层数据结构,能够简单而有效地实现面向对象编程,特别适用于快速应用程序开发,也可以用来开发大规模的重要的商业应用。Python是一个理想的脚本语言。
Python免费开源,可移植到多种操作系统,只要避免使用依赖于特定操作系统的特性,Python程序无需修改就可以在各种平台上面运行。
Python拥有现代编程语言所具有的一切强大功能,Python标准库十分庞大,可以帮助开发者处理各种工作,如:图形用户界面、文件处理、多媒体、正则表达式、文档生成、单元测试、线程、数据库、网络通讯、网页浏览器、CGI、FTP、电子邮件、XML、HTML、WAV文件、密码系统、Tk和其他与系统有关的操作。只要安装了Python,这些功能都是可用的除了标准库以外,还有许多其他高质量的库,如wxPython、Twisted和Python图形库等等数不胜数。
Python容易扩展和嵌入。Python提供的许多标准模块支持C或者C++接口。Python和C可以一起工作,它可以嵌入到C或者C++的应用程序当中,因此可用Python语言为应用程序提供脚本接口,由于支持跨语言开发,可用Python设计概念化应用程序,并逐步移植到C,使用前不必用C重写应用程序。(Jython使Python可以和Java一起工作,使开发者可以在Python里面调Java的包,也可以在Java里面使用Python的对象。还有更妙的,由于Jython的解释器完全用Java编写,因此可以在支持Java的任何平台上部署Python程序,甚至WEB浏览器也可以直接运行Python脚本。)
提出问题
在某个C++应用程序中,我们用一组插件来实现一些具有统一接口的功能,我们使用Python来代替动态链接库形式的插件,这样可以方便地根据需求的变化改写脚本代码,而不是必须重新编译链接二进制的动态链接库。Python强大的功能足以胜任,但是有一些操作系统特定的功能需要用C++来实现,再由Python调用。所以,最基础地,我们需要做到:
1. 把Python嵌入到C++应用程序中,在C++程序中调用Python函数和获得变量的值; 2. 用C++为Python编写扩展模块(动态链接库),在Python程序中调用C++开发的扩展功能函数。 常用的Python/C API介绍
下面是例子中用到的几个Python/C API的简要介绍及示例代码。注意,这并不是这些函数的详细介绍,而仅仅是我们所用到的功能简介,更详细内容请参考文档[1]、[2]、[3]、[4]。
打开Microsoft Visual Studio .NET 2003,新建一个控制台程序,#include ,并在main函数里加入示例代码。
//先定义一些变量
char *cstr;PyObject *pstr, *pmod, *pdict;PyObject *pfunc, *pargs;
1. void Py_Initialize( )
初始化Python解释器,在C++程序中使用其它Python/C API之前,必须调用此函数,如果调用失败,将产生一个致命的错误。例:
Py_Initialize();
2. int PyRun_SimpleString( const char *command)
执行一段Python代码,就好象是在__main__ 函数里面执行一样。例:
PyRun_SimpleString("from time import time,ctime\n""print ''Today is'',ctime(time())\n");
3. PyObject* PyImport_ImportModule( char *name)
导入一个Python模块,参数name可以是*.py文件的文件名。相当于Python内建函数__import__()。例:
pmod = PyImport_ImportModule("mymod"); //mymod.py
4. PyObject* PyModule_GetDict( PyObject *module)
相当于Python模块对象的__dict__ 属性,得到模块名称空间下的字典对象。例:
pdict = PyModule_GetDict(pmod);
5. PyObject* PyRun_String( const char *str, int start, PyObject *globals, PyObject *locals)
执行一段Python代码。
pstr = PyRun_String("message", Py_eval_input, pdict, pdict);
6. int PyArg_Parse( PyObject *args, char *format, ...)
解构Python数据为C的类型,这样C程序中才可以使用Python里的数据。例:
/* convert to C and print it*/PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);printf("%s\n", cstr);
7. PyObject* PyObject_GetAttrString( PyObject *o, char *attr_name)
返回模块对象o中的attr_name 属性或函数,相当于Python中表达式语句:o.attr_name。例:
/* to call mymod.transform(mymod.message) */pfunc = PyObject_GetAttrString(pmod, "transform");
8. PyObject* Py_BuildValue( char *format, ...)
构建一个参数列表,把C类型转换为Python对象,使Python可以使用C类型数据,例:
cstr="this is hjs''s test, to uppercase";pargs = Py_BuildValue("(s)", cstr);
9. PyEval_CallObject(PyObject* pfunc, PyObject* pargs)
此函数有两个参数,都指向Python对象指针,pfunc是要调用的Python 函数,通常可用PyObject_GetAttrString()获得;pargs是函数的参数列表,通常可用Py_BuildValue()构建。例:
pstr = PyEval_CallObject(pfunc, pargs);PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);printf("%s\n", cstr);
10. void Py_Finalize( )
关闭Python解释器,释放解释器所占用的资源。例:
Py_Finalize();
Python2.4环境没有提供调试版本的Python24d.lib,所以上述示例在release模式下编译。编译完成后,把可行文件和附2给出的mymod.py文件放在一起,再点击即可运行。为了简化编程,附3 给出了simplepy.h。这样,调用mymod.transform变成如下形式:
//#include”simplepy.h”CSimplepy py;py.ImportModule("mymod");std::string str=py.CallObject("transform", "this is hjs''s test, to uppercase");printf("%s\n", str.c_str());
接下来,我们来用C++为Python编写扩展模块(动态链接库),并在Python程序中调用C++开发的扩展功能函数。生成一个取名为pyUtil的Win32 DLL工程,除了pyUtil.cpp文件以外,从工程中移除所有其它文件,并填入如下的代码:
// pyUtil.cpp#ifdef PYUTIL_EXPORTS#define PYUTIL_API __declspec(dllexport)#else#define PYUTIL_API __declspec(dllimport)#endif#include#include#includeBOOL APIENTRY DllMain( HANDLE hModule, DWORD ul_reason_for_call, LPVOID lpReserved ?){ switch (ul_reason_for_call) { case DLL_PROCESS_ATTACH: case DLL_THREAD_ATTACH: case DLL_THREAD_DETACH: case DLL_PROCESS_DETACH: break; } return TRUE;}std::string Recognise_Img(const std::string url){ //返回结果 return "从dll中返回的数据... : " +url;}static PyObject* Recognise(PyObject *self, PyObject *args){ const char *url; std::string sts; if (!PyArg_ParseTuple(args, "s", &url)) return NULL; sts = Recognise_Img(url); return Py_BuildValue("s", sts.c_str() );}static PyMethodDef AllMyMethods[] = { {"Recognise", Recognise, METH_VARARGS},//暴露给Python的函数 {NULL, NULL} /* Sentinel */};extern "C" PYUTIL_API void initpyUtil(){ PyObject *m, *d; m = Py_InitModule("pyUtil", AllMyMethods); //初始化本模块,并暴露函数 d = PyModule_GetDict(m);}
在Python代码中调用这个动态链接库:
import pyUtilresult = pyUtil.Recognise("input url of specific data")print "the result is: "+ result
用C++为Python写扩展时,如果您愿意使用Boost.Python库的话,开发过程会变得更开心J,要编写一个与上述pyUtil同样功能的动态链接库,只需把文件内容替换为下面的代码。当然,编译需要boost_python.lib支持,运行需要boost_python.dll支持。
#include#include using namespace boost::python;#pragma comment(lib, "boost_python.lib")std::string strtmp;char const* Recognise(const char* url){ strtmp ="从dll中返回的数据... : "; strtmp+=url; return strtmp.c_str();}BOOST_PYTHON_MODULE(pyUtil){ def("Recognise", Recognise);}
所有示例都在Microsoft Windows XP Professional + Microsoft Visual Studio .NET 2003 + Python2.4环境下测试通过,本文所用的Boost库为1.33版本。
参考资料
[1] Python Documentation Release 2.4.1. 2005.3.30,如果您以默认方式安装了Python2.4,那么该文档的位置在C:\Program Files\Python24\Doc\Python24.chm; [2] Michael Dawson. Python Programming for the Absolute Beginner. Premier Press. 2003; [3] Mark Lutz. Programming Python, 2nd Edition. O''Reilly. 2001.3 ; [4] Mark Hammond, Andy Robinson. Python Programming on Win32. O''Reilly. 2000.1 ; Python主页:http://www.python.org; Boost库主面:www.boost.org; 附1 text.txtthis is test text in text.txt.附2 mymod.pyimport stringmessage = ''original string''message =message+messagemsg_error=""try: text_file = open("text.txt", "r") whole_thing = text_file.read() print whole_thing text_file.close()except IOError, (errno, strerror): print "I/O error(%s): %s" % (errno, strerror)def transform(input): #input = string.replace(input, ''life'', ''Python'') return string.upper(input) def change_msg(nul): global message #如果没有此行,message是函数里头的局部变量 message=''string changed'' return messagedef r_file(nul): return whole_thingdef get_msg(nul):return message附3 simplepy.h#ifndef _SIMPLEPY_H_#define _SIMPLEPY_H_// simplepy.h v1.0// Purpose: facilities for Embedded Python.// by hujinshan @2005年9月2日9:13:02#include using std::string;#include
//--------------------------------------------------------------------// Purpose: ease the job to embed Python into C++ applications// by hujinshan @2005年9月2日9:13:18//--------------------------------------------------------------------class CSimplepy // : private noncopyable{public: ///constructor CSimplepy() { Py_Initialize(); pstr=NULL, pmod=NULL, pdict=NULL; pfunc=NULL, pargs=NULL; } ///destructor virtual ~CSimplepy() { Py_Finalize(); } ///import the user module bool ImportModule(const char* mod_name) { try{ pmod = PyImport_ImportModule(const_cast(mod_name)); if(pmod==NULL) return false; pdict = PyModule_GetDict(pmod); } catch(...) { return false; } if(pmod!=NULL && pdict!=NULL) return true; else return false; } ///Executes the Python source code from command in the __main__ module. ///If __main__ does not already exist, it is created. ///Returns 0 on success or -1 if an exception was raised. ///If there was an error, there is no way to get the exception information. int Run_SimpleString(const char* str) { return PyRun_SimpleString(const_cast(str) ); } ///PyRun_String("message", Py_eval_input, pdict, pdict); ///Execute Python source code from str in the context specified by the dictionaries globals. ///The parameter start specifies the start token that should be used to parse the source code. ///Returns the result of executing the code as a Python object, or NULL if an exception was raised. string Run_String(const char* str) { char *cstr; pstr = PyRun_String(str, Py_eval_input, pdict, pdict); if(pstr==NULL) throw ("when Run_String, there is an exception was raised by Python environment."); PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr); return string(cstr); } ///support olny one parameter for python function, I think it''s just enough. string CallObject(const char* func_name, const char* parameter) { pfunc=NULL; pfunc = PyObject_GetAttrString(pmod, const_cast(func_name)); if(pfunc==NULL) throw (string("do not found in Python module for: ")+func_name).c_str(); char* cstr; pargs = Py_BuildValue("(s)", const_cast(parameter)); pstr = PyEval_CallObject(pfunc, pargs); if(pstr==NULL) throw ("when PyEval_CallObject, there is an exception was raised by Python environment"); PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr); return string(cstr); } //PyObject *args; //args = Py_BuildValue("(si)", label, count); /* make arg-list */ //pres = PyEval_CallObject(Handler, args); protected: PyObject *pstr, *pmod, *pdict; PyObject *pfunc, *pargs;};#endif // _SIMPLEPY_H_// end of file
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