使用C语言扩展Python

开发环境：Ubuntu9.10,python2.6,gcc4.4.1

1,ubuntu下的python运行包和开发包是分开的，因此需要在新利得里面安装python-all-dev,从而可以在代码中引用python的头文件和库。

2.下面是一个最简单的可以供python调用的c扩展模块，假设c程序文件名为foo.c:

代码

#include <Python.h>

static PyObject* foo_bar(PyObject* self, PyObject* args) {
    Py_RETURN_NONE;
}

static PyMethodDef foo_methods[] = {
    {"bar",(PyCFunction)foo_bar,METH_NOARGS,NULL},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initfoo() {
    Py_InitModule3("foo", foo_methods, "My first extension module.");
} 

     我们可以将上述模块分成3个部分：1）c模块想对外暴露的接口函数。2）提供给外部的python程序使用的一个c模块函数名称映射表。3）c模块的初始化函数。模块的第一行将Python.h引入到模块中，这个文件将使得你的模块可以hook进python的解释器，从而可以为外部的python程序所使用。

c模块中的函数签名一般有下列三种形式：

PyObject* MyFunction(PyObject* self, PyObject* args);
PyObject* MyFunctionWithKeywords(PyObject* self, PyObject* args, PyObject* kw);
PyObject* MyFunctionWithNoArgs(PyObject* self);

      一般我们使用的是第一种方式，函数的参数将会一个元组(tuple)的形式传进来，因此我们在c模块的函数中需要对其进行解析。Python中不能象c语言一样声明一个void类型的函数，如果你不想函数返回一个值的话，那就返回一个NONE,在这里我们可以通过Python头文件中的一个宏Py_RETURN_NONE来实现。

C模块中的函数名称其实对外部来说是不可见的，因此可以随便你命名，一般我们可以使用static函数（这在C语言里表示在当前文件以外是不可见的）。本文函数命名方式采用模块名加上函数名，例如foo_bar,这表示在模块foo中会有一个bar函数。然后就是函数映射表了，它是一个PyMethodDef结构体数组，

struct PyMethodDef {
    char* ml_name;
    PyCFunction ml_meth;
    int ml_flags;
    char* ml_doc;
};

      第一个成员ml_name是函数名，当我们在外部的Python代码中使用此模块时利用这个名称进行函数调用。ml_meth是函数地址。ml_flags告诉解释器ml_meth将会使用上述三种方法签名的哪一种，一般设置为METH_VARARGS,如果你想允许关键字参数，则可以将其与METH_KEYWORDS进行或运算。若不想接受任何参数，则可以将其设置为METH_NOARGS.最后，ml_doc字段是函数的注释文档信息，最好还是写几句吧，不然会被鄙视的。。。另外，这个表必须以{NULL,NULL,0,NULL}这样一条空记录结尾。

    模块的初始化函数是在模块被加载时被Python解释器所调用的，如果你的模块名为foo,则要求命名为initfoo.Py_InitModule3函数一般用来定义一个模块。

3,现在我们来将foo.c文件编译为一个扩展模块，使用下述命令进行编译： 

gcc -shared -I /usr/include/python2.6 foo.c -o foo.so

注意shared object的名称必须和传给Py_InitModule3函数的字符串一致，另一种可选的方式是加上module后缀，因此上述foo模块可以命名为foo.so或foomodule.so。

4,上面的编译方式可以完成任务，但更好的生成扩展模块的方法是使用distutils。首先写一个setup.py脚本：

from distutils.core import setup, Extension
setup(name = 'foo', version = '1.0', ext_modules = [Extension('foo', ['foo.c'])])

然后执行下述命令进行build: 

python ./setup.py build

这会在当前目录下生成一个build子目录，其中包含了中间生成的foo.o以及最后生成出来的foo.so。当然，最简单的方法是使用下述命令进行模块的生成和安装：

python ./setup.py install

注：由于需要获得dist-packages的写权限，最好先切换到root用户，如果直接使用su切换出现下面的错误：

su: Authentication failure

则为root用户设置一个新密码：

sudo passwd root

再用新密码切换到root用户。查看build时的详细情况，我们可以发现这么一句：

copying build/lib.linux-i686-2.6/foo.so -> /usr/local/lib/python2.6/dist-packages

 这是将生成的模块拷贝到/usr/local/lib/python2.6/dist-packages下了，这样就将我们的foo模块安装到系统中了，我们可以验证如下，在python命令行中，

import foo
dir(foo)

 结果如下： 

['__doc__','__file__','__name__','__package__','bar']

呵呵，不错吧，这个foo模块现在已经和其他系统模块一样了，原因就在于dist-packages是在sys.path这个路径中的，
5,现在我们手上已经有一个生成并安装好的C扩展模块了，剩下的就是在python代码中引入这个新模块，并调用它的方法

import foo
foo.bar()

当然，由于在c模块中的bar函数里，我们目前什么都还没做，所以现在啥都没有，在下一篇中我们实现：1)从python脚本里向C模块中传递参数。2)从C模块中返回值给外部的Python脚本

夜已经深了，这个python和c/c++,java相结合系列的第一篇就暂时写到这里。。。

在上一篇中我们已经使用c语言实现了一个最简单的扩展模块，这一篇中将在其基础上进行功能的丰富。

首先来考虑如何从外部的Python向C模块传递进参数，foo_bar2展示了如何向C模块传递整数，浮点数，字符串三个参数，其中"ids"指明了传入参数的数据类型。PyArg_ParseTuple负责对args进行解析，若解析失败则返回0.

代码

#include <Python.h>

static PyObject* foo_bar(PyObject* self, PyObject* args) {
    Py_RETURN_NONE;
}

static PyObject* foo_bar2(PyObject* self, PyObject* args) {
    int iNum;
    double fNum;
    char* str;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "ids", &iNum, &fNum, &str)) {
        return NULL;
    }
    Py_RETURN_NONE;
}
static PyMethodDef foo_methods[] = {
    {"bar",(PyCFunction)foo_bar,METH_NOARGS,NULL},
    {"bar2", (PyCFunction)foo_bar2,METH_VARARGS,NULL},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initfoo() {
    Py_InitModule3("foo", foo_methods, "My first extension module.");
}

 你还可以指定可选的参数，只需要通过在格式字符串中包含一个"|"字符即可，如下所示:

代码

static PyObject* foo_bar2(PyObject* self, PyObject* args) {
    int iNum;
    double fNum;
    char* str;
    int iNum2 = 4;
    double fNum2 = 5.0;
    char *str2 = "hello";
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "ids|ids", &iNum, &fNum, &str,&iNum2, &fNum2, &str2)) {
        return NULL;
    }
    Py_RETURN_NONE;
}

 你在调用此函数时，前面三个参数是必须要传递的，而后面的则是可选的。

另一种情况是当你的函数接受关键字参数，那么m_flags可设置为METH_VARARGS|METH_KEYWORDS,相应的使用PyArg_ParseTupleAndKeywords来进行参数解析。

函数 PyArg_ParseTupleAndKeywords() 声明如下:

int PyArg_ParseTupleAndKeywords(PyObject* arg, PyObject* kwdict, char* format, char* kwlist[],...);

 参数arg和format定义同 PyArg_ParseTuple() 。参数 kwdict 是关键字字典，用于接受运行时传来的关键字参数。参数 kwlist 是一个NULL结尾的字符串，定义了可以接受的参数名，并从左到右与format中各个变量对应。如果执行成功 PyArg_ParseTupleAndKeywords() 会返回true，否则返回false并抛出异常。

注：嵌套的tuple在使用关键字参数时无法生效，不在kwlist中的关键字参数会导致 TypeError 异常

 代码

#include <Python.h>

static PyObject* foo_bar3(PyObject* self, PyObject* args, PyObject* kw) {
    static char* kwlist[] = {"i", "d", "s",NULL};
    int iNum = 0;
    double fNum = 2.0f;
    char* str = "thing";
    if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args,kw,"i|ds",kwlist,&iNum,&fNum,&str)) {
        printf("ERROR");
        return NULL;
    }
    printf("num is: %d,%f,%s\n",iNum,fNum,str);
    Py_RETURN_NONE;
}
static PyMethodDef foo_methods[] = {
    {"bar3", (PyCFunction)foo_bar3, METH_VARARGS|METH_KEYWORDS, NULL},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initfoo() {
    Py_InitModule3("foo", foo_methods, "My first extension module.");
}

 相应的在函数表里记录如下：

{"foo_bar",(PyCFunction)foo_bar, METH_VARARGS|METH_KEYWORDS,NULL},

这样你在python代码中调用时可以传递关键字参数，其中只有i表示的整数是必需的，因此下述调用都是合法的：

import foo
foo.bar3(1)
foo.bar3(1,d=2.0)
foo.bar33(i=1,d=2.0)

而如果你传递了其他关键参数，则会报TypeError,比如foo.bar3(i=1,dd=3.0,s="fda")

下面来看第二个问题：上面说的PyArg_ParseTuple和PyArg_ParseTupleAndKeywords这两个函数是将传递进C模块的Python对象转变为C里的数据类型，那么相反的情况如何呢？即如何从C模块返回值到Python程序中。要完成这件事，我们所需要的函数是Py_BuildValue,示例如下：

代码

#include <Python.h>

static PyObject* foo_add_sub(PyObject* self, PyObject* args) {
    int num1,num2;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &num1, &num2)) {
        return NULL;
    }
    return Py_BuildValue("ii", num1 + num2, num1 - num2);
}

static PyMethodDef foo_methods[] = {
    {"add_sub", (PyCFunction)foo_add_sub, METH_VARARGS, NULL},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initfoo() {
    Py_InitModule3("foo", foo_methods, "My first extension module.");
}

这样在Python代码中调用如下：

import foo
(sum,sub) = foo.add_sub(9,3)

好了，现在从Python代码传递参数进C模块，以及C模块返回值到Python代码都已经清楚了，下一篇我们将利用这些技术来完成一个实际的C扩展模块 

 

 

上一篇中我们已经了解如何在Python程序和C模块之间进行值的相互传递，现在我们来进入实作阶段，看看如何将一个C语言开发的开源mp3编解码库LAME包装为一个Python下可以使用的扩展模块。

首先去http://lame.sourceforge.net/download.php下载LAME的源代码，然后切换到root用户编译源代码，

./configure
make
make install

安装完成后你可以在/usr/local/include/lame目录下找到lame.h头文件，我们在后面的demo程序中会include它的，下面就是一个非常简单的lame示例程序lame_test.c:

代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <lame.h>

#define INBUFSIZE 4096
#define MP3BUFSIZE (int) (1.25 * INBUFSIZE) + 7200

int encode(char* inPath, char* outPath) {
    int status = 0;
    lame_global_flags* gfp;
    int ret_code;
    FILE* infp;
    FILE* outfp;
    short* input_buffer;
    int input_samples;
    char* mp3_buffer;
    int mp3_bytes;
    
    gfp = lame_init();
    if (gfp == NULL) {
        printf("lame_init failed\n");
        status = -1;
        goto exit;
    }
    
    ret_code = lame_init_params(gfp);
    if (ret_code < 0) {
        printf("lame_init_params returned %d\n",ret_code);
        status = -1;
        goto close_lame;
    }

    infp = fopen(inPath, "rb");
    outfp = fopen(outPath, "wb");
    
    input_buffer = (short*)malloc(INBUFSIZE*2);
    mp3_buffer = (char*)malloc(MP3BUFSIZE);
    
    do{
        input_samples = fread(input_buffer, 2, INBUFSIZE, infp);
        mp3_bytes = lame_encode_buffer_interleaved(gfp, input_buffer,input_samples/2, mp3_buffer, MP3BUFSIZE);
        if (mp3_bytes < 0) {
            printf("lame_encode_buffer_interleaved returned %d\n", mp3_bytes);
            status = -1;
            goto free_buffers;
        } else if(mp3_bytes > 0) {
            fwrite(mp3_buffer, 1, mp3_bytes, outfp);
        }
    }while (input_samples == INBUFSIZE);
    
    mp3_bytes = lame_encode_flush(gfp, mp3_buffer, sizeof(mp3_buffer));
    if (mp3_bytes > 0) {
        printf("writing %d mp3 bytes\n", mp3_bytes);
        fwrite(mp3_buffer, 1, mp3_bytes, outfp);
    }
free_buffers:
    free(mp3_buffer);
    free(input_buffer);
    
    fclose(outfp);
    fclose(infp);
close_lame:
    lame_close(gfp);
exit:
    return status;
}

int main(int argc, char** argv) {
    if (argc < 3) {
        printf("usage: lame_test rawinfile mp3outfile\n");
    }
    encode(argv[1], argv[2]);
    return 0;
}

编译步骤：

gcc -I /usr/local/include/lame lame_test.c -lmp3lame -o lame_test

试验准备：

首先需要一个test.wav文件，先安装sox来将wav文件转为raw格式的数据：

    sudo apt-get install sox
    sox test.wav -t raw test.raw

 

然后执行lame_test来对其进行mp3编码:

./lame_test ./test.raw ./test.mp3 

好了，现在我们要在这个c程序的基础上将其包装为一个Python扩展模块。下面的pylame.c就是简单地调用lame_test.c中定义的encode方法，然后通过它对外部的python程序提高mp3编码的服务

代码

#include <Python.h>
#include <lame.h>

int encode(char* ,char*);

static PyObject * pylame_encode(PyObject* self, PyObject* args) {
    int status;
    char* inPath;
    char* outPath;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "ss", &inPath, &outPath)) {        
        return NULL;
    }
    status = encode(inPath, outPath);
    return Py_BuildValue("i", status);
}

static PyMethodDef pylame_methods[] = {
    {"encode", pylame_encode, METH_VARARGS, NULL},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initpylame() {
    Py_InitModule3("pylame", pylame_methods, "an simple lame module.");
}

模块编译步骤：

gcc -shared -I /usr/include/python2.6 -I /usr/local/include/lame/ pylame.c lame_test.c -lmp3lame -o pylame.so

ok,现在lame扩展模块已经封装好了，可以到python程序中进行调用了。在pylame.so所在目录下新建一个python文件lame1.py代码如下：

import pylame

if __name__ == '__main__':
    inPath = './test.raw'
    outPath = './test.mp3'
    pylame.encode(inPath, outPath)

编译执行： 

python ./lame1.py

你会发现生成了一个test.mp3,打开听听看是否是你想要的歌曲呢，呵呵。。。 

 

 

作者：洞庭散人

出处：http://phinecos.cnblogs.com/　　　　

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