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C 擴(kuò)展和嵌入 Python

 ShaneWu 2009-11-24

Python是一種簡(jiǎn)單易學(xué),功能強(qiáng)大的解釋型編程語(yǔ)言,它有簡(jiǎn)潔明了的語(yǔ)法,高效率的高層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,能夠簡(jiǎn)單而有效地實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊蹋貏e適用于快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā),,也可以用來(lái)開(kāi)發(fā)大規(guī)模的重要的商業(yè)應(yīng)用,。Python是一個(gè)理想的腳本語(yǔ)言。
Python免費(fèi)開(kāi)源,,可移植到多種操作系統(tǒng),,只要避免使用依賴于特定操作系統(tǒng)的特性,Python程序無(wú)需修改就可以在各種平臺(tái)上面運(yùn)行,。
Python擁有現(xiàn)代編程語(yǔ)言所具有的一切強(qiáng)大功能,,Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)十分龐大,可以幫助開(kāi)發(fā)者處理各種工作,,如:圖形用戶界面,、文件處理、多媒 體,、正則表達(dá)式,、文檔生成、單元測(cè)試,、線程,、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊,、網(wǎng)頁(yè)瀏覽器,、CGI、FTP,、電子郵件、XML,、HTML,、WAV文件、密碼系統(tǒng),、Tk和 其他與系統(tǒng)有關(guān)的操作,。只要安裝了Python,這些功能都是可用的除了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)以外,,還有許多其他高質(zhì)量的庫(kù),,如wxPython、Twisted和 Python圖形庫(kù)等等數(shù)不勝數(shù),。
Python容易擴(kuò)展和嵌入,。Python提供的許多標(biāo)準(zhǔn)模塊支持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++的應(yīng)用 程序當(dāng)中,,因此可用Python語(yǔ)言為應(yīng)用程序提供腳本接口,,由于支持跨語(yǔ)言開(kāi)發(fā),可用Python設(shè)計(jì)概念化應(yīng)用程序,,并逐步移植到C,,使用前不必用C 重寫(xiě)應(yīng)用程序。(Jython使Python可以和Java一起工作,,使開(kāi)發(fā)者可以在Python里面調(diào)Java的包,,也可以在Java里面使用 Python的對(duì)象。還有更妙的,由于Jython的解釋器完全用Java編寫(xiě),,因此可以在支持Java的任何平臺(tái)上部署Python程序,,甚至WEB瀏 覽器也可以直接運(yùn)行Python腳本。)

提出問(wèn)題

在某個(gè)C++應(yīng)用程序中,,我們用一組插件來(lái)實(shí)現(xiàn)一些具有統(tǒng)一接口的功能,,我們使用Python來(lái)代替動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式的插件,這樣可以方便地根據(jù)需求的 變化改寫(xiě)腳本代碼,,而不是必須重新編譯鏈接二進(jìn)制的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),。Python強(qiáng)大的功能足以勝任,但是有一些操作系統(tǒng)特定的功能需要用C++來(lái)實(shí)現(xiàn),,再由 Python調(diào)用,。所以,最基礎(chǔ)地,,我們需要做到:

  • 1. 把Python嵌入到C++應(yīng)用程序中,,在C++程序中調(diào)用Python函數(shù)和獲得變量的值;
  • 2. 用C++為Python編寫(xiě)擴(kuò)展模塊(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)),,在Python程序中調(diào)用C++開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展功能函數(shù),。

常用的Python/C API介紹

下面是例子中用到的幾個(gè)Python/C API的簡(jiǎn)要介紹及示例代碼。注意,,這并不是這些函數(shù)的詳細(xì)介紹,,而僅僅是我們所用到的功能簡(jiǎn)介,更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考文檔[1],、[2],、[3]、[4],。
打開(kāi)Microsoft Visual Studio .NET 2003,,新建一個(gè)控制臺(tái)程序,#include <Python.h>,并在main函數(shù)里加入示例代碼,。
//先定義一些變量

char *cstr;
PyObject *pstr, *pmod, *pdict;
PyObject *pfunc, *pargs;
1. void Py_Initialize( )
初始化Python解釋器,,在C++程序中使用其它Python/C API之前,必須調(diào)用此函數(shù),,如果調(diào)用失敗,,將產(chǎn)生一個(gè)致命的錯(cuò)誤。例:
Py_Initialize();
2. int PyRun_SimpleString( const char *command)

執(zhí)行一段Python代碼,,就好象是在__main__ 函數(shù)里面執(zhí)行一樣,。例:

PyRun_SimpleString("from time import time,ctime\n"
"print ''Today is'',ctime(time())\n");
3. PyObject* PyImport_ImportModule( char *name)

導(dǎo)入一個(gè)Python模塊,參數(shù)name可以是*.py文件的文件名,。相當(dāng)于Python內(nèi)建函數(shù)__import__(),。例:

pmod = PyImport_ImportModule("mymod"); //mymod.py
4. PyObject* PyModule_GetDict( PyObject *module)

相當(dāng)于Python模塊對(duì)象的__dict__ 屬性,得到模塊名稱空間下的字典對(duì)象,。例:

pdict = PyModule_GetDict(pmod);
5. PyObject* PyRun_String( const char *str, int start, PyObject *globals, PyObject *locals)

執(zhí)行一段Python代碼,。

pstr = PyRun_String("message", Py_eval_input, pdict, pdict);
6. int PyArg_Parse( PyObject *args, char *format, ...)

解構(gòu)Python數(shù)據(jù)為C的類型,這樣C程序中才可以使用Python里的數(shù)據(jù),。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)

返回模塊對(duì)象o中的attr_name 屬性或函數(shù),,相當(dāng)于Python中表達(dá)式語(yǔ)句:o.attr_name。例:

/* to call mymod.transform(mymod.message) */
pfunc = PyObject_GetAttrString(pmod, "transform");
8. PyObject* Py_BuildValue( char *format, ...)

構(gòu)建一個(gè)參數(shù)列表,,把C類型轉(zhuǎn)換為Python對(duì)象,,使Python可以使用C類型數(shù)據(jù),例:

cstr="this is hjs''s test, to uppercase";
pargs = Py_BuildValue("(s)", cstr);
9. PyEval_CallObject(PyObject* pfunc, PyObject* pargs)

  此函數(shù)有兩個(gè)參數(shù),,都指向Python對(duì)象指針,,pfunc是要調(diào)用的Python 函數(shù),通??捎肞yObject_GetAttrString()獲得,;pargs是函數(shù)的參數(shù)列表,通??捎肞y_BuildValue()構(gòu)建,。例:

pstr = PyEval_CallObject(pfunc, pargs);
PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);
printf("%s\n", cstr);
10. void Py_Finalize( )

關(guān)閉Python解釋器,釋放解釋器所占用的資源,。例:

Py_Finalize();

Python2.4環(huán)境沒(méi)有提供調(diào)試版本的Python24d.lib,,所以上述示例在release模式下編譯。編譯完成后,,把可行文件和附2給出的mymod.py文件放在一起,再點(diǎn)擊即可運(yùn)行,。為了簡(jiǎn)化編程,,附3 給出了simplepy.h。這樣,調(diào)用mymod.transform變成如下形式:

//#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());

  接下來(lái),,我們來(lái)用C++為Python編寫(xiě)擴(kuò)展模塊(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)),,并在Python程序中調(diào)用C++開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展功能函數(shù)。生成一個(gè)取名為pyUtil的Win32 DLL工程,,除了pyUtil.cpp文件以外,,從工程中移除所有其它文件,并填入如下的代碼:

// pyUtil.cpp
#ifdef PYUTIL_EXPORTS
#define PYUTIL_API __declspec(dllexport)
#else
#define PYUTIL_API __declspec(dllimport)
#endif
#include<windows.h>
#include<string>
#include<Python.h>
BOOL 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)
{
//返回結(jié)果
return "從dll中返回的數(shù)據(jù)... : " +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},//暴露給Python的函數(shù)
{NULL,      NULL}        /* Sentinel */
};
extern "C" PYUTIL_API void initpyUtil()
{
PyObject *m, *d;
m = Py_InitModule("pyUtil", AllMyMethods); //初始化本模塊,,并暴露函數(shù)
d = PyModule_GetDict(m);
}
在Python代碼中調(diào)用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù):
import pyUtil
result = pyUtil.Recognise("input url of specific data")
print "the result is: "+ result		
用C++為Python寫(xiě)擴(kuò)展時(shí),,如果您愿意使用Boost.Python庫(kù)的話,開(kāi)發(fā)過(guò)程會(huì)變得更開(kāi)心J,,要編寫(xiě)一個(gè)與上述pyUtil同樣功能的動(dòng)態(tài) 鏈接庫(kù),,只需把文件內(nèi)容替換為下面的代碼。當(dāng)然,,編譯需要boost_python.lib支持,,運(yùn)行需要boost_python.dll支持。
#include<string>
#include <boost/python.hpp>
using namespace boost::python;
#pragma comment(lib, "boost_python.lib")
std::string strtmp;
char const* Recognise(const char* url)
{
strtmp ="從dll中返回的數(shù)據(jù)... : ";
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環(huán)境下測(cè)試通過(guò),,本文所用的Boost庫(kù)為1.33版本,。

參考資料
  • [1] Python Documentation Release 2.4.1. 2005.3.30,如果您以默認(rèn)方式安裝了Python2.4,,那么該文檔的位置在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主頁(yè):http://www.
  • Boost庫(kù)主面:www.boost.org,;
附1 text.txt
this is test text in text.txt.
附2 mymod.py
import string
message = ''original string''
message =message+message
msg_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 #如果沒(méi)有此行,,message是函數(shù)里頭的局部變量
message=''string changed''
return message
def r_file(nul):
return whole_thing
def 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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