假设我们需要使用C/C++实现一个翻转字符串的扩展功能, 下面是C语言的实现
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char* reverse(char *s)
{
if (NULL == s) {
return NULL;
}
int low = 0;
int higth = strlen(s) - 1;
while (low < hight) {
char tmp = s[low];
s[low] = s[hight]
s[hight] = tmp;
++low;
--hight;
}
return s;
}
首先，我们需要解决的问题是，怎样在Python环境下传递参数，即在Python环境下调用扩展模块，其传入的参数怎样被C扩展模块识别，再有就是C扩展模块识别后做了处理返回的数据怎样体现到Python环境下在调用该模块的返回值中去。Python提供了一系列的函数族(类似于PyArg_parse*形式的函数) 把Python环境传入的参数转化成C扩展模块能识别的类型，并提供了另一的函数Py_BuildValue解决C扩展模块返回值转换为Python环境能识别的数据类型。 这就是我们第一步需要做的：封装C扩展模块。
先来看看参数解析函数，这一系列函数常用的有3个，以下是这三个函数的定义：
int PyArg_ParseTuple(PyObject *args, const char *format, ...)
int PyArg_ParseTupleAndKeywords(PyObject *args, PyObject *kw, const char *format, char *keywords[], ...) #这个主要实现Python的参数默认值和形如k=v的参数
int PyArg_Parse(PyObject *args, const char *format, ...) #不推荐使用
看着是不是和scanf函数有些形似，参数args必须是一个元组对象，其元素为从python环境传递到C模块的参数列表。 参数format必须是一个格式化字符串，剩下的参数必须传入的是地址, 其类型由格式化字符串决定, 格式化字符串的语法如下(捡几个常用的，完整的请看Python的官方手册):
| 字符 |
Python数据类型 |
C数据类型 |
含义 |
| s |
string/Unicode |
const char* |
适配一个参数:指向字符串的指针。需要注意的C程序不需要提供字符串的存储空间，且Python字符串不能包含'\0'字符, 否则会引发TypeError异常。Unicode字符若在转换成C字符失败，将抛出UnicodeError异常 |
| s# |
string/Unicode/读缓冲区兼容的对象 |
const char*, int/Py_ssize_t |
类似于格式化参数s。其适配两个参数:一个是指向字符串的指针，一个是int(或者Py_ssize_t)类型的整数。 其允许Python字符串中有'\0'字符。 |
| s* |
string/Unicode/读缓冲区兼容的对象 |
Py_buffer |
类似于格式化参数s#。 |
| z |
string/Unicode/None |
const char* |
类似于格式化参数s, 但是Python字符串可以为空,即适配的字符串指针指向为空 |
| z# |
string/Unicode/None/读缓冲区兼容的对象 |
const char*, int/Py_ssize_t |
类似于格式化参数s。其适配两个参数:一个是指向字符串的指针，一个是int(或者Py_ssize_t)类型的整数。 其允许Python字符串中有'\0'字符。 |
| z* |
string/Unicode/None/读缓冲区兼容的对象 |
Py_buffer |
类似于格式化参数s#。 |
| i |
integer |
int |
|
| I |
integer |
unsigned int |
不带溢出检查 |
| l |
integer |
long int |
|
| k |
integer |
unsigned long int |
不带溢出检查 |
| \ |
|
- |
- |
static PyObject* py_reverse(PyObject* self, PyObject* args)
{
char* result;
char* target = NULL;
PyObject* retval = NULL;
int ret = PyArg_parseTuple(args, "s", &target);
if (!ret) {
return NULL;
}
result = reverse(target);
retval = (PyObject*)Py_BuildValue("s", result);
return retval;
}
第二步, 建立映射关系 如上面所说，通过结构体PyMethodDef来实现Python扩展模块中方法和C模块中方法的映射关系，让我们看看结构体PyMethodDef的定义:
// methodobject.h
struct PyMethodDef {
const char *ml_name; // Python扩展模块中的方法名称
PyCFunction ml_meth; // 第二步中我们封装的函数, 此处是函数地址 , 需要对其做PyCFunction类型的强制转换, 下面会说道
int ml_flags; // 代表这ml_meth不同的函数签名形式
const char *ml_doc; // 该Python扩展方法的文档
};
在这里需要注意的是PyCFunction这个函数指针类型，其定义如下:
// methodobject.h
typedef PyObject *(*PyCFunction)(PyObject *, PyObject *)
这个PyCFunction类型是大多数封装C模块方法的签名形式，它会传入一个元组(也就参数列表中第二个参数, 第一个参数给自身用的)，其包括所有的从Python环境传过来的参数, 这些参数需要通过PyArg_ParseTuple()或者PyArg_UnpackTuple()这两个函数来转换成C语言能识别的数据类型。 标示ml_flags的值为METH_VARARGS就代表这这种形式的函数签名。
其实PyCFunction下面还定义了两个封装C模块方法的函数签名形式:
// methodobject.h
typedef PyObject *(*PyCFunctionWithKeywords)(PyObject *, PyObject *, PyObject *);
typedef PyObject *(*PyNoArgsFunction)(PyObject *);
这两种会在后续讲到。
下面来完成映射:
static struct PyMethodDef reverse_methods[] = {
{"reverse", (PyCFunction)py_reverse, METH_VARARGS, NULL},
{NULL, NULL, 0, NULL},
};
第三步, 初始化模块 这里需要注意的是，函数名称格式必须为"init"+模块的名字, 且其返回值的类型是void, 函数的参数列表必须为void，具体原因可以看这里, 我们看看PyMONDINIT_FUNC的声明:
#ifndef PyMODINIT_FUNC
# if defined(__cplusplus)
# define PyMODINIT_FUNC extern "C" void
# else /* __cplusplus */
# define PyMODINIT_FUNC void
# endif /* __cplusplus */
#endif
在Python环境下，首次导入扩展模块的时候，就会调用初始化函数, 其调用Py_InitModule3(下面代码)创建一个模块. 下面，来完成初始化工作
PyMODINIT_FUNC initreverse(void) {
Py_InitModule3("reverse", reverse_methods, "My first extension module.");
}
第四步, 使用distutils来生成和安装模块 从python2.6起，可以使用distutils来生成和安装模块了，唯一需要做的是你的python环境里面安装了distutils模块，且只需要写一个简单的 setup.py脚本build和install扩展模块。
from distutils.core import setup, Extensiion
moduleReverse = Extension('reverse',
sources = ['reverse.c'])
setup(name = 'reverse',
version = '1.0',
description = 'This is a test!',
ext_modules = [moduleReverse])
然后执行 python setup.py build 和 python setup.py install 然后就可以使用了:
>>> import reverse
>>> dir(reverse)
['__doc__', '__file__', '__name__', '__package__', 'reverse']
>>> reverse.reverse('Zewen')
neweZ
到此，一个简单的Python扩展模块就完成了。
