pybind11学习 | 异常转换和类型转换

本文主要记录官方文档中 EXCEPTIONS 和 TYPE CONVERSIONS 一章的学习笔记。

一 异常转换

1.1 C++内置异常到Python异常的转换

当Python通过pybind11调用C++代码时，pybind11将捕获C++异常，并将其翻译为对应的Python异常后抛出，这样Python代码就能够处理它们。

C++抛出的异常	转换到Python的异常类型
std::exception	RuntimeError
std::bad_alloc	MemoryError
std::domain_error	ValueError
std::invalid_argument	ValueError
std::length_error	ValueError
std::out_of_range	IndexError
std::range_error	ValueError
std::overflow_error	OverflowError
pybind11::stop_iteration	StopIteration
pybind11::index_error	IndexError
pybind11::key_error	KeyError
pybind11::value_error	ValueError
pybind11::type_error	TypeError
pybind11::buffer_error	BufferError
pybind11::import_error	ImportError
pybind11::attribute_error	AttributeError
其他异常	RuntimeError

当入参不能转化为Python对象时，handle::call()将抛出pybind11::cast_error异常。

1.2 注册自定义异常转换

当上述的异常转换不能满足我们需求时，我们可以注册一个自定义的C++到Python的异常转换。使用下面的方法：

py::register_exception<CppExp>(module, "PyExp");		// 全局
py::register_local_exception<CppExp>(module, "PyExp");	// 模块内
py::register_exception<CppExp>(module, "PyExp", PyExc_RuntimeError);	// 第三个参数可以指定异常基类，实现PyExp异常可以捕获PyExp和RuntimeError

这个调用在指定模块创建了一个名称为PyExp的Python异常，并自动将CppExp相关的异常转换为PyExp异常。

1.3 在C++中处理Python异常

[1.1节](##1.1 C++内置异常到Python异常的转换)是C++异常到Python异常的转换，这一节为Python异常到C++异常的转换。

在Python中抛出的异常	作为C++异常类型抛出
Any Python Exception	pybind11::error_already_set

下面例子演示了如何在C++侧处理捕获到的Python异常。

try {
    // open("missing.txt", "r")
    auto file = py::module_::import("io").attr("open")("missing.txt", "r");
    auto text = file.attr("read")();
    file.attr("close")();
} catch (py::error_already_set &e) {
    if (e.matches(PyExc_FileNotFoundError)) {
        py::print("missing.txt not found");
    } else if (e.matches(PyExc_PermissionError)) {
        py::print("missing.txt found but not accessible");
    } else {
        throw;
    }
}

二 类型转换

2.1 包装和类型转换

在C++中使用原生的Python类型（如list或tuple等），我们有两种方式。第一，通过包装，将原生Python类型通过py::object派生包装器包装，在C++中撕掉包装后再使用，其核心仍然是一个Python对象。示例如下：

namespace py = pybind11;

void print_list(py::list my_list) {
    for (auto item : my_list)
        std::cout << item << " ";
}

>>> print_list([1, 2, 3])
1 2 3

其中py::list便是Python原生类型list在C++中的包装类型。

第二种方式是通过类型转换，将原生Python类型转换成原生C++类型后再在C++侧使用，即两侧都使用各自的原生类型。示例如下：

void print_vector(const std::vector<int> &v) {
    for (auto item : v)
        std::cout << item << "\n";
}

>>> print_vector([1, 2, 3])
1 2 3

上面这个例子中，Python原生类型list到C++原生类型vector的转换时通过pybind11自动完成的。更多开箱即用（pybind11内置转换，不需要我们自定义类型转换）的类型转换见下表。

数据类型	描述	头文件
int8_t, uint8_t	8-bit integers	pybind11/pybind11.h
int16_t, uint16_t	16-bit integers	pybind11/pybind11.h
int32_t, uint32_t	32-bit integers	pybind11/pybind11.h
int64_t, uint64_t	64-bit integers	pybind11/pybind11.h
ssize_t, size_t	Platform-dependent size	pybind11/pybind11.h
float, double	Floating point types	pybind11/pybind11.h
bool	Two-state Boolean type	pybind11/pybind11.h
char	Character literal	pybind11/pybind11.h
char16_t	UTF-16 character literal	pybind11/pybind11.h
char32_t	UTF-32 character literal	pybind11/pybind11.h
wchar_t	Wide character literal	pybind11/pybind11.h
const char *	UTF-8 string literal	pybind11/pybind11.h
const char16_t *	UTF-16 string literal	pybind11/pybind11.h
const char32_t *	UTF-32 string literal	pybind11/pybind11.h
const wchar_t *	Wide string literal	pybind11/pybind11.h
std::string	STL dynamic UTF-8 string	pybind11/pybind11.h
std::u16string	STL dynamic UTF-16 string	pybind11/pybind11.h
std::u32string	STL dynamic UTF-32 string	pybind11/pybind11.h
std::wstring	STL dynamic wide string	pybind11/pybind11.h
std::string_view, std::u16string_view, etc.	STL C++17 string views	pybind11/pybind11.h
std::pair	Pair of two custom types	pybind11/pybind11.h
std::tuple<...>	Arbitrary tuple of types	pybind11/pybind11.h
std::reference_wrapper<...>	Reference type wrapper	pybind11/pybind11.h
std::complex	Complex numbers	pybind11/complex.h
std::array	STL static array	pybind11/stl.h
std::vector	STL dynamic array	pybind11/stl.h
std::deque	STL double-ended queue	pybind11/stl.h
std::valarray	STL value array	pybind11/stl.h
std::list	STL linked list	pybind11/stl.h
std::map	STL ordered map	pybind11/stl.h
std::unordered_map	STL unordered map	pybind11/stl.h
std::set	STL ordered set	pybind11/stl.h
std::unordered_set	STL unordered set	pybind11/stl.h
std::optional	STL optional type (C++17)	pybind11/stl.h
std::experimental::optional	STL optional type (exp.)	pybind11/stl.h
std::variant<...>	Type-safe union (C++17)	pybind11/stl.h
std::filesystem::path	STL path (C++17) 1	pybind11/stl.h
std::function<...>	STL polymorphic function	pybind11/functional.h
std::chrono::duration<...>	STL time duration	pybind11/chrono.h
std::chrono::time_point<...>	STL date/time	pybind11/chrono.h
Eigen::Matrix<...>	Eigen: dense matrix	pybind11/eigen.h
Eigen::Map<...>	Eigen: mapped memory	pybind11/eigen.h
Eigen::SparseMatrix<...>	Eigen: sparse matrix	pybind11/eigen.h

注意：上述的内置转换都是基于数据拷贝的。这对小型的不变的类型相当友好，对于大型数据结构则相当昂贵。这可以通过自定义包装类型重载自动转换来解决。

2.2 STL容器

包含头文件pybind11/stl.h，将支持如下内置转换：

C++	Python
std::vector<>/std::deque<>/std::list<>/std::array<>/std::valarray<>	list
std::set<>/std::unordered_set<>	set
std::map<>/std::unordered_map<>	dict

这些类型任意嵌套都是可以自动转换的。

2.2.1 绑定STL容器

有时，我们需要创建STL容器的Python绑定，使在Python中将STL容器作为对象进行使用。

// 必须包含的头文件
#include 

PYBIND11_MAKE_OPAQUE(std::vector<int>);
PYBIND11_MAKE_OPAQUE(std::map<std::string, double>);

// ...

// 绑定代码
py::bind_vector<std::vector<int>>(m, "VectorInt");
py::bind_map<std::map<std::string, double>>(m, "MapStringDouble");

pybind11提供了PYBIND11_MAKE_OPAQUE(T)来禁用基于模板的类型转换机制，从而使他们变得不透明（opaque）。opaque对象的内容永远不会被检查或提取，因此它们可以通过引用传递。这样一来避免对大型列表进行拷贝操作带来的耗时。

2.3 函数对象

如果一个将函数对象作为函数的参数，那么设计Python中函数和C++函数对象之间的转换。有一如下示例函数，接收一函数对象，返回一函数对象：

#include 

int func_arg(const std::function<int(int)> &f) {
    return f(10);
}

std::function<int(int)> func_ret(const std::function<int(int)> &f) {
    return [f](int i) {
        return f(i) + 1;
    };
}

py::cpp_function func_cpp() {
    return py::cpp_function([](int i) { return i+1; },
       py::arg("number"));
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("func_arg", &func_arg);
    m.def("func_ret", &func_ret);
    m.def("func_cpp", &func_cpp);
}