如何实现C/C++与Python的通信？

来源：网络整理网络用户发布，如有版权联系网管删除　2018-08-13　

########## 以下所有文字均为答主手敲，转载请注明出处和作者 ##########

属于混合编程的问题。较全面的介绍一下，不仅限于题主提出的问题。
以下讨论中，Python指它的标准实现，即CPython（虽然不是很严格）

本文分4个部分

C/C++ 调用 Python （基础篇）仅讨论Python官方提供的实现方式
Python 调用 C/C++ （基础篇）仅讨论Python官方提供的实现方式
C/C++ 调用 Python （高级篇）使用 Cython
Python 调用 C/C++ （高级篇）使用 SWIG

1 C/C++ 调用 Python（基础篇）
Python 本身就是一个C库。你所看到的可执行体python只不过是个stub。真正的python实体在动态链接库里实现，在Windows平台上，这个文件位于 %SystemRoot%System32python27.dll。

你也可以在自己的程序中调用Python，看起来非常容易：

//my_python.c
#include <Python.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  Py_SetProgramName(argv[0]);
  Py_Initialize();
  PyRun_SimpleString("print 'Hello Python!'n");
  Py_Finalize();
  return 0;
}

在Windows下需要安装Visual Studio。编译命令为

cl my_python.c -IC:Python27include C:Python27libspython27.lib

在Linux下需要安装python-dev之类的包裹。编译命令为

gcc my_python.c -o my_python -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

产生可执行文件后，直接运行，结果为输出

Hello Python!

Python库函数PyRun_SimpleString可以执行字符串形式的Python代码。

虽然非常简单，但这段代码除了能用C语言动态生成一些Python代码之外，并没有什么用处。我们需要的是C语言的数据结构能够和Python交互。

下面举个例子，比如说，有一天我们用Python写了一个功能特别强大的函数：

def great_function(a):
    return a + 1

接下来要把它包装成C语言的函数。我们期待的C语言的对应函数应该是这样的：

int great_function_from_python(int a) {
    int res; 
    // some magic
    return res;
}

首先，复用Python模块得做‘import’，这里也不例外。所以我们把great_function放到一个module里，比如说，这个module名字叫 great_module.py

接下来就要用C来调用Python了，完整的代码如下：

#include <Python.h>

int great_function_from_python(int a) {
    int res;
    PyObject *pModule,*pFunc;
    PyObject *pArgs, *pValue;
    
    /* import */
    pModule = PyImport_Import(PyString_FromString("great_module"));

    /* great_module.great_function */
    pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "great_function"); 
    
    /* build args */
    pArgs = PyTuple_New(1);
    PyTuple_SetItem(pArgs,0, PyInt_FromLong(a));
      
    /* call */
    pValue = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
    
    res = PyInt_AsLong(pValue);
    return res;
}

从上述代码可以窥见Python内部运行的方式：

所有Python元素，module、function、tuple、string等等，实际上都是PyObject。C语言里操纵它们，一律使用PyObject *。
Python的类型与C语言类型可以相互转换。Python类型XXX转换为C语言类型YYY要使用PyXXX_AsYYY函数；C类型YYY转换为Python类型XXX要使用PyXXX_FromYYY函数。
也可以创建Python类型的变量，使用PyXXX_New可以创建类型为XXX的变量。
若a是Tuple，则a[i] = b对应于 PyTuple_SetItem(a,i,b)，有理由相信还有一个函数PyTuple_GetItem完成取得某一项的值。
不仅Python语言很优雅，Python的库函数API也非常优雅。

现在我们得到了一个C语言的函数了，可以写一个main测试它

#include <Python.h>

int great_function_from_python(int a); 

int main(int argc, char *argv[]) {
    Py_Initialize();
    printf("%d",great_function_from_python(2));
    Py_Finalize();
}

编译的方式就用本节开头使用的方法。

2 Python 调用 C/C++（基础篇）
这种做法称为Python扩展。
比如说，我们有一个功能强大的C函数：

int great_function(int a) {
    return a + 1;
}

期望在Python里这样使用：

>>> from great_module import great_function 
>>> great_function(2)
3

考虑最简单的情况。我们把功能强大的函数放入C文件 great_module.c 中。

#include <Python.h>

int great_function(int a) {
    return a + 1;
}

static PyObject * _great_function(PyObject *self, PyObject *args)
{
    int _a;
    int res;

    if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &_a))
        return NULL;
    res = great_function(_a);
    return PyLong_FromLong(res);
}

static PyMethodDef GreateModuleMethods[] = {
    {
        "great_function",
        _great_function,
        METH_VARARGS,
        ""
    },
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

PyMODINIT_FUNC initgreat_module(void) {
    (void) Py_InitModule("great_module", GreateModuleMethods);
}

除了功能强大的函数great_function外，这个文件中还有以下部分：

包裹函数_great_function。它负责将Python的参数转化为C的参数（PyArg_ParseTuple），调用实际的great_function，并处理great_function的返回值，返回给Python环境。
导出表GreateModuleMethods。它负责告诉Python这个模块里有哪些可以被Python调用的函数。导出表的名字可以随便起，每一项有4个参数：第一个参数是提供给Python环境的函数名称，第二个参数是_great_function，即包裹函数。第三个参数的含义是参数变长，第四个参数是一个说明性的字符串。导出表总是以{NULL, NULL, 0, NULL}结束。
导出函数initgreat_module。这个的名字不是任一取的，是你的module名称添加init作为开头。在它的内部将模块名称与导出表进行连接。

在Windows下面，用Visual Studio编译这个文件的命令是

cl /LD great_module.c  -IC:Python27include C:Python27libspython27.lib

/LD 即生成动态链接库。在当前目录可以得到 great_module.dll。在Python中这个DLL可以直接当作module使用。

在Linux下面，用gcc编译：

gcc -fPIC -shared great_module.c -o great_module.so -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7

在当前目录下得到great_module.so，也可以在Python中直接使用。

本部分参考资料

《Python源码剖析-深度探索动态语言核心技术》是系统介绍CPython实现以及运行原理的优秀教程。
Python 官方文档的这一章详细介绍了C/C++与Python的双向互动Extending and Embedding the Python Interpreter
关于编译环境，本文所述方法仅为出示原理所用。规范的方式如下：3. Building C and C++ Extensions with distutils
作为字典使用的官方参考文档 Python/C API Reference Manual