Python 调用 C 动态链接库，包括结构体参数、回调函数等

项目中要对一个用 C 编写的 .so 库进行逻辑自测。这项工作，考虑到灵活性，我首先考虑用 Python 来完成。

研究了一些资料，采用 python 的 ctypes 来完成这项工作。已经验证通过，本文记录一下适配流程。验证采用 cpp 来设计，不过暂时还没有涉及类的内容。以后如果需要再补足。

本文地址：https://segmentfault.com/a/1190000013339754

参考资料

ctypes

以下资料是关于 ctypes 的，也就是本文采用的资料：

• Python的学习（三十二）---- ctypes库的使用整理
• Python Ctypes 结构体指针处理(函数参数，函数返回)
• ctypes库
• 用Python ctypes 建立與C的介面
• Python调用C/C++动态链接库的方法详解
• 【转】python中使用 C 类型的数组以及ctypes 的用法
• ctypes
• 将函数指针转换为可调用对象
• Python Ctypes结构体指针处理(函数参数，函数返回)
• Can't install python-dev on centos 6.5
• Python 3.5, ctypes: TypeError: bytes or integer address expected instead of str instance

一些 Python 本身的资料

由于研究 ctypes 时我用的是 Python 2.7，后来切换到 Python 3 的时候稍微遇到一点适配问题，因此也顺便记录一下我切换过程中参考的一些资料：

• python多线程ctrl-c退出问题
• Python多线程之怎样优雅的响应中断异常（Ctrl+C）
• CentOS7.2 多个python版本共存
• Python 2 和 Python 3 有哪些主要区别？ - 猪了个去的回答 - 知乎
• 关于 python ImportError: No module named 的问题
• python的模块加载和路径查找
• 如何获得Python脚本所在目录的位置
• 关于python中带下划线的变量和函数 的意义
• 【变量】关于python中的下划线
• 16.16. ctypes — A foreign function library for Python

其他 python 调用 C 的方法

Python 调用 C 还有其他的几个解决方案，比如 cython、SWIG 等等。但是查了不少资料没能解决我的两个关键诉求（结构体参数和回调函数）：

• Python调用C
• Python.h：No such file or directory

环境准备

ctypes 包准备

使用 ctypes，需要首先安装 python-dev 包：

Ubuntu:
$ sudo apt-get install python-dev -y

CentOS:
$ sudo yum install python-devel -y

这里主要包含了 ctypes 包。

.so 文件准备

将你的 C 代码编译成 .so 文件。这里假设目标文件是 libtest.so，放在工作目录下。

基本参数函数调用

首先是最简单的函数调用，并且函数参数为基本数据类型。待调用的函数定义如下：

extern "C" int max(int a, int b)
{
    return (a > b) ? a : b;
}

这种情况下，在 Python 中的调用就很简单了。我们需要使用 ctypes 包中的 cdll 模块加载 .so 文件，然后就可以调用库中的函数了。

Python 代码如下：

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: UTF-8 -*-

from ctypes import *

so_file = cdll.LoadLibrary('./libtest.so')    # 如果前文使用的是 import ctypes，则这里应该是 ctypes.cdll.LoadLobrary(...)
ret = so_file.max(22, 20)
print('so_file class:', type(so_file))
print('so_file.max =', ret)

输出：

so_file class: 
so_file.max = 22

调用以结构体为参数的函数

这就稍微复杂点了，因为 C 语言中的结构体在 Python 中并没有直接一一对应。不过不用担心，简单而言，解决方案就是：在 Python 代码中调用 ctypes 的类进行 Python 化的封装。

网上的代码进行了最简化的演示，这里我从这一小节开始，建议读者把一个 .so 文件，封装成 Python 模块。这样一来库的包装更加简洁和清晰。

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C 代码

这里是 C 代码的部分，主要是结构体的声明。用于示例的函数很简单，只是一个 print 功能而已：

typedef struct _test_struct
{
    int     integer;
    char *  c_str;
    void *  ptr;
    int     array[8];
} TestStruct_st;


extern "C" const char *print_test_struct(TestStruct_st *pTestSt)
{
    if (NULL == pTestSt) {
        return "C -- parameter NULL";        # "C --" 打头区分这是在 .so 里面输出的
    }

    printf("C -- {\n");
    printf("C -- \tinteger : %d\n", pTestSt->integer);
    printf("C -- \tcstr    : %s\n", pTestSt->c_str);
    printf("C -- \tptr     : %p\n", pTestSt->ptr);

    printf("C -- \tarray   : [");
    for (int tmp = 0; tmp < 7; tmp ++) {
        printf("%d, ", pTestSt->array[tmp]);
    }
    printf("%d]\n", pTestSt->array[7]);
    printf("C -- }\n");

    return "success";
}

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Python 封装

封装结构体

首先，我们要对结构体进行转换：

from ctypes import *

INTARRAY8 = c_int * 8

class PyTestStruct(Structure):
    'TestStruct_st 的 Python 版本'
    _fields_ = [
        ("integer", c_int),
        ("c_str", c_char_p),
        ("ptr", c_void_p),
        ("array", INTARRAY8)
    ]

首先对结构体里的 int 数组进行了重定义，也就是 INTARRAY8。

接着，注意一下 _fields_ 的内容：这里就是对 C 数据类型的转换。左边是 C 的结构成员名称，右边则是在 python 中声明一下各个成员的类型。其他的一些类型请参见官方文档。

此外还需要注意一下类似于 c_int, c_void_p 等等的定义是在 ctypes 中的，如果是用 impoer ctypes 的方式包含 ctypes 模块，则应该写成 ctypes.c_int, ctypes.c_void_p。

第三个要注意的是：这个类必须定义为 ctypes.Structure 的子类，否则在进行后续的函数传递时，ctypes 由于不知道如何进行数据类型的对应，会抛出异常

封装 .so 函数

class testdll:
    '用于 libtest.so 的加载，包含了 cdll 对象'

    def __init__(self):
        self.cdll = cdll.LoadLibrary('./libtest.so')    # 直接加载 .so 文件。感觉更好的方式是写成单例
        return

    def print_test_struct(self, test_struct):
        func = self.cdll.print_test_struct

        func.restype = c_char_p
        func.argtypes = [POINTER(PyTestStruct)]

        return func(byref(test_struct)).decode()

注意最后一句 func(byref(test_struct)) 中的 byref。这个函数可以当作是 C 中的取地址符 & 的 Python 适配。因为函数参数是一个结构体指针（地址），因此我们需要用上 byref 函数。

Python 调用

直接上 Python 代码，很短的（import 语句就不用写了吧，读者自行发挥就好）：

test_struct = PyTestStruct()
test_struct.integer = 1
test_struct.c_str = 'Hello, C'.encode()        # Python 2.x 则不需要写 encode
test_struct.ptr = 0xFFFFFFFF
test_struct.array = INTARRAY8()

for i in range(0, len(test_struct.array)):
    j = i + 1
    test_struct.array[i] = j * 10 + j

so_file = testdll()
test_result = so_file.print_test_struct(test_struct)
print('test_result:', test_result)

执行结果：

C -- {
C --     integer : 1
C --     cstr    : Hello, C
C --     ptr     : 0xffffffff
C --     array   : [11, 22, 33, 44, 55, 66, 77, 88]
C -- }
test_result: success

这里可以看到，结构体参数的准备还是很简单的，就是将用 Python 适配过来之后的类中对应名字的成员进行赋值就好了。

注意一下在 Python 3.x 中，str 和 bytes 类型是区分开的，而 char * 对应的是后者，因此需要进行 encode / decode 转换。在 Python 2.x 则不需要。

调用以回调函数地址为参数的函数

这个主题就稍微绕一些了，也就是说在 C 接口中，需要传入回调函数作为参数。这个问题在 Python 中也可以解决，并且回调函数可以用 Python 定义。

C 代码

C 代码很简单：回调函数的传入参数为 int，返回参数也是 int。C 代码获取一个随机数交给回调去处理。

extern "C" void print_given_num(int (*callback)(int))
{
    if (NULL == callback) {
        printf("C -- No number given\n");
    }

    static int s_isInit = 0;
    if (0 == s_isInit) {
        s_isInit = 1;
        srand(time(NULL));
    }
    int num = callback((int)rand());
    printf("C -- given num by callback: %d (0x%x)\n", num, num);

    return;
}

Python 封装

这里我还是用前面的 testdll 类来封装：

class testdll:
    '用于 libtest.so 的加载，包含了 cdll 对象'

    def __init__(self):
        self.cdll = cdll.LoadLibrary('./libtest.so')
        return

    def print_given_num(self, callback):
        self.cdll.print_given_num(callback)
        return

testCallbackType = CFUNCTYPE(None, c_int, c_int)

最后的 testCallbackType 通过 ctypes 定义了一个回调函数类型，这个在后面的调用中需要使用

在 CFUNCTYPE 后面的第一个参数为 None，这表示回调函数的返回值类型为 void

Python 调用

回调函数准备

回调函数用 Python 完成，注意接受的参数和返回数据类型都应该与 .so 中的定义一致。我这里的回调函数中，将 .so 传过来的参数取了一个最低字节返回：

def _callback(para):
    print('get callback req:', hex(para))
    print('return:', hex(para & 0xFF))
    return para & 0xFF

函数调用

so_file = testdll()
cb = testCallbackType(_callback)
so_file.print_given_num(cb)

执行结果：

get callback req: 0x4f770b3a
return: 0x3a
C -- given num by callback: 58 (0x3a)

怎么样，是不是觉得很简单？