用C扩展Python的功能

1.模块封装

可以利用Python解释器提供的接口来编写Python的C语言扩展，假设有一个C语言函数，

int fact(int n)
{
  if (n <= 1) 
    return 1;
  else 
    return n * fact(n - 1);
}

该函数的功能是计算某个给定自然数的阶乘，如果想在Python解释器中调用该函数，则应该首先将其实现为Python中的一个模块，这需要编写相应的封装接口，如下所示：

#include <Python.h>
PyObject* wrap_fact(PyObject* self, PyObject* args) 
{
  int n, result;
  
  if (! PyArg_ParseTuple(args, "i:fact", &n))
    return NULL;
  result = fact(n);
  return Py_BuildValue("i", result);
}
static PyMethodDef exampleMethods[] = 
{
  {"fact", wrap_fact, METH_VARARGS, "Caculate N!"},
  {NULL, NULL}
};
void initexample() 
{
  PyObject* m;
  m = Py_InitModule("example", exampleMethods);
}

一个典型的Python扩展模块至少应该包含三个部分：导出函数、方法列表和初始化函数。

2.导出函数

要在Python解释器中使用C语言中的某个函数，首先要为其编写相应的导出函数，在Python的c语言扩展中，所有的导出函数都具有相同的函数原型：

PyObject *method（PyObject *self，PyObject *args）；

该函数是Python解释器和C函数进行交互的接口，带有两个参数：self和args。参数self只在C函数被实现为内联方法时才被用到，通常该参数的值为空(NULL)。参数args中包含了Python解释器要传递给C函数的所有参数，通常使用Python的C语言扩展接口提供的函数PyArg_ParseTuple()来获得这些参数值。

所有的导出函数都返回一个PyObject指针，如果对应的C函数没有真正的返回值，则应返回一个全局的None对象（Py_None），并将其引用计数增1，如下所示：

   
   
   
   

    
    
    
    
 
     
 
      
PyObject* method(PyObject *self, PyObject *args) 
{
  Py_INCREF(Py_None);
  return Py_None;
}
 
     
 
    
   
   
   
   

3.方法列表

方法列表中给出了所有可以被Python解释器使用的方法，上述例子对应的方法列表为：

   
   
   
   

    
    
    
    
 
     
 
      
static PyMethodDef exampleMethods[] = 
{
  {"fact", wrap_fact, METH_VARARGS, "Caculate N!"},
  {NULL, NULL}
};
 
     
 
    
   
   
   
   

方法列表中的每项由四个部分组成：方法名、导出函数、参数传递方式和方法描述。方法名是从Python解释器中调用该方法时所使用的名字。参数传递方式则规定了Python向C函数传递参数的具体形式，可选的两种方式是METH_VARARGS和METH_KEYWORDS,其中METH_VARARGS是参数传递的标准形式，它通过Python的元组在Python解释器和C函数之间传递参数，若采用METH_KEYWORD方式，则Python解释器和C函数之间将通过Python的字典类型在两者之间进行参数传递。

4.初始化函数

所有的Python扩展模块都必须要有一个初始化函数，以便Python解释器能够对模块进行正确的初始化。Python解释器规定所有的初始化函数的函数名必须以init开头，并加上模块的名字。对于example来说，则相应的初始化函数为：

void initexample() 
{
  PyObject* m;
  m = Py_InitModule("example", exampleMethods);
}
当python解释器需要导入该模块时，将根据该模块的名称查找相应的初始化函数，一旦找到则调用该函数进行相应的初始化工作，初始化函数则通过调用Python的C语言扩展接口所提供的函数Py_InitModule()来向Python解释器注册该模块中所有可以用到的方法。