Pybind11教程：从零开始打造 Python 的 C++ 小帮手

参考官网文档：https://pybind11.readthedocs.io/en/stable/index.html

一、Pybind11 是什么？

想象你在 Python 里写了个计算器，但跑得太慢，想用 C++ 提速，又不想完全抛弃 Python。Pybind11 就像一座桥，把 C++ 的高性能代码“嫁接”到 Python 里。你可以用 Python 调用 C++ 函数，就像请了个跑得飞快的帮手来干活。

• 主要功能：
  1. 绑定函数：把 C++ 函数变成 Python 能用的。
  2. 传递数据：Python 和 C++ 之间无缝传值。
  3. 扩展模块：生成一个 Python 模块，导入就用。

二、准备工作

1. 安装 Pybind11：

   • 需要 C++ 编译器（Windows 用 MSVC，Mac/Linux 用 gcc/clang）。
   • 用 pip 安装 Pybind11：
   • 检查安装：命令行输入 python -m pybind11 --includes，会返回 Pybind11 的头文件路径（比如 -I/…/pybind11/include）。

2. 安装 Python 和 CMake：

   • 确保有 Python（3.x 推荐）。
   • 装 CMake（用来生成项目）：pip install cmake 或官网下载。

3. 写个简单 C++ 文件： 新建 example.cpp：

int add(int a, int b) { 
	return a + b; 
}

我们要让 Python 能调用这个 add 函数。

三、基础绑定：让 Python 用上 C++

1. 改写 C++ 文件： 把 example.cpp 改成这样：

#include 

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.doc() = "一个简单的加法模块"; // 模块描述
    m.def("add", &add, "加两个数", pybind11::arg("a"), pybind11::arg("b"));
}

• #include ：引入 Pybind11 的魔法工具。
• PYBIND11_MODULE(example, m)：定义一个 Python 模块叫 example，m 是模块对象。
• m.def：把 C++ 的 add 函数绑定到 Python，起名叫 add，还加了参数名和描述。

2. 编译成模块：

   • 新建 setup.py：

from setuptools import setup
from pybind11.setup_helpers import Pybind11Extension

ext_modules = [
    Pybind11Extension(
        "example",  # 模块名
        ["example.cpp"],  # 源文件
    ),
]
setup(
    name="example",
    ext_modules=ext_modules,
)

• 命令行运行：
  python setup.py build_ext --inplace

• 成功后会生成一个 example.xxx.pyd（Windows）或 example.xxx.so（Linux/Mac）。

3. 在 Python 中试试：

import example
print(example.add(3, 4))  # 输出 7
print(example.__doc__)   # 输出 “一个简单的加法模块”

4. 怎么回事？

   • Pybind11 把 C++ 代码编译成了 Python 的扩展模块，你可以像导入普通库一样用它。
   • 比喻：就像把 C++ 的“快车”装进 Python 的“车库”，随时开出来用。

四、进阶玩法：玩转数据和功能

1. 绑定带默认参数的函数

改 example.cpp：

#include 

int add(int a, int b = 10) {
    return a + b;
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("add", &add, "加两个数", pybind11::arg("a"), pybind11::arg("b") = 10);
}

• 重新编译后：

import example
print(example.add(5))     # 输出 15（5 + 10）
print(example.add(5, 3))  # 输出 8（5 + 3）

2. 处理 Python 列表

让 C++ 处理 Python 传来的列表：

#include 
#include 

std::vector<int> double_list(std::vector<int> lst) {
    for (int& x : lst) x *= 2;
    return lst;
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("double_list", &double_list, "把列表每个数翻倍");
}

• 编译后：

 import example 
 print(example.double_list([1, 2, 3])) # 输出 [2, 4, 6]

3. 绑定类

定义一个 C++ 类给 Python 用：

#include 

class Pet {
public:
    Pet(const std::string& name) : name(name) {}
    void setName(const std::string& new_name) { name = new_name; }
    std::string getName() const { return name; }
private:
    std::string name;
};

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    pybind11::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(pybind11::init<const std::string&>())  // 构造函数
        .def("setName", &Pet::setName)              // 方法
        .def("getName", &Pet::getName);             // 方法
}

• 编译后：

import example 
p = example.Pet("小狗") 
print(p.getName()) # 输出 “小狗” 
p.setName("小猫") 
print(p.getName()) # 输出 “小猫”

五、更酷的功能：优化和调试

1. 提速：

   • Pybind11 默认很快，但可以用 C++ 的优化编译选项（比如 -O3）：
     python setup.py build_ext --inplace -DCMAKE_CXX_FLAGS="-O3"

2. 调试：

   • 出错了？加 --verbose 查看编译详情：
     python setup.py build_ext --inplace --verbose

六、实战练习

试试这个任务：

1. 写个 C++ 文件 math_ops.cpp：

#include 

int multiply(int a, int b = 2) {
    return a * b;
}

PYBIND11_MODULE(math_ops, m) {
    m.def("multiply", &multiply, "乘法", pybind11::arg("a"), pybind11::arg("b") = 2);
}

2. 用 Pybind11 编译成模块。

3. 在 Python 中测试：

import math_ops 
print(math_ops.multiply(5)) # 输出 10 
print(math_ops.multiply(5, 3)) # 输出 15

七、注意事项

1. 编译环境：
   • 确保 C++ 编译器版本匹配（比如 MSVC 2019+）。
2. 依赖问题：
   • 如果用了其他 C++ 库，setup.py 里要加 libraries=[“库名”]。
3. 跨平台：
   • 编译出的模块只能在同系统用，换系统要重新编译。

八、总结：Pybind11 的绑定法则

• 基础绑定：用 m.def 把 C++ 函数给 Python。
• 高级用法：绑定类（class_）、处理列表（std::vector）。
• 优化调试：加编译选项提速，用 --verbose 查错。
• 打包：用 setup.py 生成模块，导入即用。

通过这个教程，你应该能轻松用 Pybind11 把 C++ 的“超能力”带到 Python 里，像搭积木一样简单！如果有问题私信我，我再帮你细化解决。