Cython 和 fortran - 如何在没有 f2py 的情况下一起编译

最终更新

这个问题是关于如何写一个setup.py这将编译一个 cython 模块，该模块可以像 C 一样直接访问 FORTRAN 代码。这是一个相当漫长而艰巨的解决方案旅程，但完整的混乱情况包含在下面作为上下文。

原问题

我有一个扩展，它是一个 Cython 文件，它设置一些堆内存并将其传递给 fortran 代码，还有一个 fortran 文件，它是一个古老的旧模块，如果可以的话，我希望避免重新实现。

The .pyx文件可以很好地编译为 C，但 cython 编译器会卡住.f90文件出现以下错误：

$ python setup.py build_ext --inplace
running build_ext
cythoning delaunay/__init__.pyx to delaunay/__init__.c
building 'delaunay' extension
error: unknown file type '.f90' (from 'delaunay/stripack.f90')

这是我的设置文件（上半部分）：

from distutils.core import setup, Extension
from Cython.Distutils import build_ext

ext_modules = [
  Extension("delaunay",
    sources=["delaunay/__init__.pyx",
             "delaunay/stripack.f90"])
]

setup(
  cmdclass = {'build_ext': build_ext},
  ext_modules = ext_modules,
  ...
)

注意：我最初错误地指定了 fortran 文件的位置（没有目录前缀），但在修复该问题后，它以完全相同的方式中断。

我尝试过的事情：

I found this，并尝试传递 fortran 编译器的名称（即 gfortran），如下所示：

$ python setup.py config --fcompiler=gfortran build_ext --inplace
usage: setup.py [global_opts] cmd1 [cmd1_opts] [cmd2 [cmd2_opts] ...]
   or: setup.py --help [cmd1 cmd2 ...]
   or: setup.py --help-commands
   or: setup.py cmd --help

error: option --fcompiler not recognized

我也尝试过删除--inplace，以防这就是问题所在（事实并非如此，与顶部错误消息相同）。

那么，我该如何编译这个fortran呢？我可以把它破解成.o我自己并摆脱链接它？或者这是 Cython 中的错误吗，这将迫使我重新实现 distutils 或使用预处理器进行修改？

UPDATE

所以，检查了numpy.distutils包，我更了解这个问题了。看来你必须

1. 使用 cython 将 .pyx 文件转换为 cpython .c 文件，
2. 然后使用一个Extension/setup()支持 fortran 的组合，例如numpy's.

尝试过这个之后，我的setup.py现在看起来像这样：

from numpy.distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
from numpy.distutils.extension import Extension

cy_modules = cythonize('delaunay/sphere.pyx')
e = cy_modules[0]

ext_modules = [
  Extension("delaunay.sphere",
      sources=e.sources + ['delaunay/stripack.f90'])
]

setup(
  ext_modules = ext_modules,
  name="delaunay",
  ...
)

（请注意，我还对模块进行了一些重组，因为看起来似乎是__init__.pyx是不允许的...）

现在事情变得有问题并且依赖于平台。我有两个可用的测试系统 - 一个是 Mac OS X 10.6 (Snow Leopard)，使用 Macports Python 2.7，另一个是 Mac OS X 10.7 (Lion)，使用系统 python 2.7。

在 Snow Leopard 上，以下内容适用：

这意味着该模块可以编译（万岁！）（尽管没有--inplace对于 numpy，看来，所以我必须在系统范围内安装测试模块:/)，但我仍然遇到崩溃import如下：

  >>> import delaunay
  Traceback (most recent call last):
    File "<input>", line 1, in <module>
    File "<snip>site-packages/delaunay/__init__.py", line 1, in <module>
      from sphere import delaunay_mesh
  ImportError: dlopen(<snip>site-packages/delaunay/sphere.so, 2): no suitable image found.  Did find:
    <snip>site-packages/delaunay/sphere.so: mach-o, but wrong architecture

在 Lion 上，我收到一个编译错误，后面是一条看起来相当混乱的编译行：

gfortran:f77: build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.f
/usr/local/bin/gfortran -Wall -arch i686 -arch x86_64 -Wall -undefined dynamic_lookup -bundle build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/fortranobject.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/stripack.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.o -lgfortran -o build/lib.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.so
ld: duplicate symbol _initsphere in build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o ldand :build /temp.macosx-10.7-intelduplicate- 2.7symbol/ delaunay/sphere.o _initsphere in forbuild architecture /i386
temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o and build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.o for architecture x86_64

现在让我们先退后一步，然后再仔细研究这里的细节。首先，我知道 64 位 Mac OS X 中的架构冲突存在很多令人头疼的问题；我必须非常努力地让 Macports Python 在 Snow Leopard 机器上运行（只是为了从系统 python 2.6 升级）。我也知道当你看到gfortran -arch i686 -arch x86_64您正在向编译器发送混合消息。其中隐藏着各种特定于平台的问题，我们无需在这个问题的背景下担心。

但让我们看看这一行: gfortran:f77: build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.f

numpy 在做什么？我在此版本中不需要任何 f2py 功能！我实际上写了一个 cython 模块为了避免处理 f2py 的疯狂（我需要有 4 或 5 个输出变量，以及既不进也不出的参数 - f2py 中都没有很好地支持这两个参数。）我只想编译它.c -> .o, and .f90 -> .o并将它们链接起来。如果我知道如何包含所有相关的标头，我可以自己编写此编译器行。

请告诉我，我不需要为此编写自己的 makefile...或者有一种方法可以将 fortran 转换为（输出兼容的）C，这样我就可以避免 python 看到 .f90 扩展名（它修复了整个问题）问题。）请注意f2c不适合这个，因为它只适用于 F77，这是一种更现代的方言（因此.f90文件扩展名）。

UPDATE 2以下 bash 脚本将愉快地编译并链接代码：

PYTHON_H_LOCATION="/opt/local/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.7/include/python2.7/"

cython sphere.pyx

gcc -arch x86_64 -c sphere.c -I$PYTHON_H_LOCATION
gfortran -arch x86_64 -c stripack.f90
gfortran -arch x86_64 -bundle -undefined dynamic_lookup -L/opt/local/lib *.o -o sphere.so

关于如何使这种 hack 与 setup.py 兼容有什么建议吗？我没有任何人安装这个模块必须去寻找Python.h手动...

UPDATE:我在 github 上创建了一个项目，它手动完成了编译行的生成。它被称为复杂的构建.

更新2：事实上，“手动生成”是一个非常糟糕的主意，因为它是特定于平台的 - 该项目现在从distutils.sysconfigmodule，这是用于编译 python 的设置（即我们想要的），唯一猜测的设置是 fortran 编译器和文件扩展名（用户可配置）。我怀疑它现在正在重新实现相当多的 distutils！

做到这一点的方法是编写您自己的编译器行，并将它们侵入您的setup.py。我在下面展示了一个适用于我的（非常简单）案例的示例，该案例具有以下结构：

• imports
• cythonize() any .pyx文件，所以你只有 fortran 和 C 文件。
• define a build() function which compiles your code:
  • 也许是一些易于更改的常量，例如编译器名称和体系结构
  • 列出 fortran 和 C 文件
  • 生成将构建模块的 shell 命令
  • 添加链接器行
  • 运行外壳命令。
• 如果命令是install并且目标尚不存在，构建它。
• 运行 setup （这将构建纯 python 部分）
• 如果命令是build，立即运行构建。

我的实现如下所示。它仅针对一个扩展模块而设计，并且每次都会重新编译所有文件，因此可能需要进一步扩展才能具有更通用的用途。另请注意，我已经对各种 Unix 进行了硬编码/s，因此，如果您将其移植到 Windows，请确保进行调整或替换为os.path.sep.

from distutils.core import setup
from distutils.sysconfig import get_python_inc
from Cython.Build import cythonize
import sys, os, shutil

cythonize('delaunay/sphere.pyx')

target = 'build/lib/delaunay/sphere.so'

def build():
  fortran_compiler = 'gfortran'
  c_compiler = 'gcc'
  architecture = 'x86_64'
  python_h_location = get_python_inc()
  build_temp = 'build/custom_temp'
  global target

  try:
    shutil.rmtree(build_temp)
  except OSError:
    pass

  os.makedirs(build_temp) # if you get an error here, please ensure the build/ ...
  # folder is writable by this user.

  c_files = ['delaunay/sphere.c']
  fortran_files = ['delaunay/stripack.f90']

  c_compile_commands = []

  for cf in c_files:
    # use the path (sans /s), without the extension, as the object file name:
    components = os.path.split(cf)
    name = components[0].replace('/', '') + '.'.join(components[1].split('.')[:-1])
    c_compile_commands.append(
      c_compiler + ' -arch ' + architecture + ' -I' + python_h_location + ' -o ' +
      build_temp + '/' + name + '.o -c ' + cf
    )

  fortran_compile_commands = []

  for ff in fortran_files:
    # prefix with f in case of name collisions with c files:
    components = os.path.split(ff)
    name = components[0].replace('/', '') + 'f' + '.'.join(components[1].split('.')[:-1])
    fortran_compile_commands.append(
      fortran_compiler + ' -arch ' + architecture + ' -o ' + build_temp + 
      '/' + name + '.o -c ' + ff
    )

  commands = c_compile_commands + fortran_compile_commands + [
    fortran_compiler + ' -arch ' + architecture + 
    ' -bundle -undefined dynamic_lookup ' + build_temp + '/*.o -o ' + target
  ]

  for c in commands:
    os.system(c)


if 'install' in sys.argv and not os.path.exists(target):
  try:
    os.makedirs('build/lib/delaunay')
  except OSError:
    # we don't care if the containing folder already exists.
    pass
  build()

setup(
  name="delaunay",
  version="0.1",
  ...
  packages=["delaunay"]
)

if 'build' in sys.argv:
  build()

这可以包含在一个新的Extension我想，有它自己的类build_ext命令 - 高级学生的练习；）