效率提升二十倍：Python和C的混合编程

ctypes是python标准库的一员，相当于为python与C语言之间假设了一道桥梁，使得二者之间的混合编程成为可能。本文就演示一下，在Python中通过ctypes模块对C语言的dll文件进行调用的过程。

先写一个希尔排序

例如我们用C语言写一个希尔排序

//sort.h
#include 
void ShellSort(double *arr, int n);

//sort.c
#include "sort.h"

void ShellSort(double *arr, int n){
	double temp;
	int j;
	for(int nSub=n/2; nSub>0; nSub/=2)
		for(int i=nSub; i<n; i++){
			temp = arr[i];
			for(j=i-nSub;  j>=0 && temp<arr[j]; j-=nSub)
				arr[j+nSub] = arr[j];
			arr[j+nSub] = temp;
		}
}

先写一个test.c做测试。

//test.c
#include "sort.h"
int main(){
	double arr[5] = {1,3,5,4,2};
	ShellSort(arr,5);
	for(int i=0; i<5; i++)
		printf("%lf ", arr[i]);
	return 0;
}

首先通过gcc -shared -o将sort.c变成sort.dll，再将sort.dll链接到test.c中，从而生成test.exe。gcc会自动将-l后面的sort识别为sort.dll。

>gcc -shared -o sort.dll sort.c
>gcc -o test.exe .\test.c -L./ -lsort
>test.exe
1.000000 2.000000 3.000000 4.000000 5.000000

test.exe成功运行，说明我们这个函数是正确的。

调用

接下来需要在python中通过ctypes进行调用。务必注意python和dll须有相同的数据位数。在windows下，如果用mingw中的gcc，只能编译32位程序，而若Python为64位，则会报出如下错误

>>> import ctypes
>>> dll = ctypes.CDLL("./sort.dll")
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1, in <module>
  File "C:\Python310\lib\ctypes\__init__.py", line 374, in __init__
    self._handle = _dlopen(self._name, mode)
OSError: [WinError 193] %1 不是有效的 Win32 应用程序。

为了解决这个问题，需要下载安装mingw-w64。

在正确安装并设置mingw-w64之后，进入python

>>> import ctypes
>>> dll = ctypes.CDLL("./sort.dll")
>>> tenValues = ctypes.c_double * 10    #新建一个长度位10的double型数组
>>> v = tenValues(1,3,5,7,9,8,6,4,2,10)
>>> dll.ShellSort(v,10)
0
>>> for i in v:print(i,end=' ')
...
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

可见希尔排序的确起到了作用。

ctypes中的数据类型

ctypes	c数据类型
c_bool	_Bool
c_byte,c_int8	char
c_short, c_int16	short
c_int, c_int32	int
c_long	long
c_longlong, c_int64	long long
c_char, c_char_p	char, char*
c_double, c_float	double, float
c_longdouble	long double
c_size_t	size_t
c_ssize_t	ssize_t
c_ubyte, c_uint8	unsigned char
c_ushort, c_uint16	unsigned short
c_uint, c_uint32	unsigned int
c_ulong	unsigned long
c_ulonglong, c_uint64	unsigned long long
c_void_p	void *
c_wchar	wchar_t *
c_wchar_p	wchar_p *