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C++ 扩展和嵌入 Python

作者：胡金山

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Python简介

　　Python是一种简单易学，功能强大的解释型编程语言，它有简洁明了的语法，高效率的高层数据结构，能够简单而有效地实现面向对象编程，特别适用于快速应用程序开发，也可以用来开发大规模的重要的商业应用。Python是一个理想的脚本语言。
　　Python免费开源，可移植到多种操作系统，只要避免使用依赖于特定操作系统的特性，Python程序无需修改就可以在各种平台上面运行。
　　Python拥有现代编程语言所具有的一切强大功能，Python标准库十分庞大，可以帮助开发者处理各种工作，如：图形用户界面、文件处理、多媒 体、正则表达式、文档生成、单元测试、线程、数据库、网络通讯、网页浏览器、CGI、FTP、电子邮件、XML、HTML、WAV文件、密码系统、Tk和 其他与系统有关的操作。只要安装了Python，这些功能都是可用的除了标准库以外，还有许多其他高质量的库，如wxPython、Twisted和 Python图形库等等数不胜数。
　　Python容易扩展和嵌入。Python提供的许多标准模块支持C或者C++接口。Python和C可以一起工作，它可以嵌入到C或者C++的应用 程序当中，因此可用Python语言为应用程序提供脚本接口，由于支持跨语言开发，可用Python设计概念化应用程序，并逐步移植到C，使用前不必用C 重写应用程序。(Jython使Python可以和Java一起工作，使开发者可以在Python里面调Java的包，也可以在Java里面使用 Python的对象。还有更妙的,由于Jython的解释器完全用Java编写，因此可以在支持Java的任何平台上部署Python程序，甚至WEB浏 览器也可以直接运行Python脚本。)

提出问题

　　在某个C++应用程序中，我们用一组插件来实现一些具有统一接口的功能，我们使用Python来代替动态链接库形式的插件，这样可以方便地根据需求的 变化改写脚本代码，而不是必须重新编译链接二进制的动态链接库。Python强大的功能足以胜任，但是有一些操作系统特定的功能需要用C++来实现，再由 Python调用。所以，最基础地，我们需要做到：

• 1. 把Python嵌入到C++应用程序中，在C++程序中调用Python函数和获得变量的值；
• 2. 用C++为Python编写扩展模块(动态链接库)，在Python程序中调用C++开发的扩展功能函数。

常用的Python/C API介绍

　　下面是例子中用到的几个Python/C API的简要介绍及示例代码。注意，这并不是这些函数的详细介绍，而仅仅是我们所用到的功能简介，更详细内容请参考文档[1]、[2]、[3]、[4]。
打开Microsoft Visual Studio .NET 2003，新建一个控制台程序，#include <Python.h>，并在main函数里加入示例代码。
//先定义一些变量

char *cstr;
PyObject *pstr, *pmod, *pdict;
PyObject *pfunc, *pargs;

1. void Py_Initialize( )
　　初始化Python解释器，在C++程序中使用其它Python/C API之前，必须调用此函数，如果调用失败，将产生一个致命的错误。例：

Py_Initialize();

2. int PyRun_SimpleString( const char *command)

执行一段Python代码，就好象是在__main__ 函数里面执行一样。例：

PyRun_SimpleString("from time import time,ctime\n"
"print ''Today is'',ctime(time())\n");

3. PyObject* PyImport_ImportModule( char *name)

导入一个Python模块，参数name可以是*.py文件的文件名。相当于Python内建函数__import__()。例：

pmod = PyImport_ImportModule("mymod"); //mymod.py

4. PyObject* PyModule_GetDict( PyObject *module)

相当于Python模块对象的__dict__ 属性，得到模块名称空间下的字典对象。例：

pdict = PyModule_GetDict(pmod);

5. PyObject* PyRun_String( const char *str, int start, PyObject *globals, PyObject *locals)

执行一段Python代码。

pstr = PyRun_String("message", Py_eval_input, pdict, pdict);

6. int PyArg_Parse( PyObject *args, char *format, ...)

解构Python数据为C的类型，这样C程序中才可以使用Python里的数据。例：

/* convert to C and print it*/
PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);
printf("%s\n", cstr);

7. PyObject* PyObject_GetAttrString( PyObject *o, char *attr_name)

返回模块对象o中的attr_name 属性或函数，相当于Python中表达式语句：o.attr_name。例：

/* to call mymod.transform(mymod.message) */
pfunc = PyObject_GetAttrString(pmod, "transform");

8. PyObject* Py_BuildValue( char *format, ...)

构建一个参数列表，把C类型转换为Python对象，使Python可以使用C类型数据，例：

cstr="this is hjs''s test, to uppercase";
pargs = Py_BuildValue("(s)", cstr);

9. PyEval_CallObject(PyObject* pfunc, PyObject* pargs)

　　此函数有两个参数，都指向Python对象指针，pfunc是要调用的Python 函数，通常可用PyObject_GetAttrString()获得；pargs是函数的参数列表，通常可用Py_BuildValue()构建。例：

pstr = PyEval_CallObject(pfunc, pargs);
PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);
printf("%s\n", cstr);

10. void Py_Finalize( )

关闭Python解释器，释放解释器所占用的资源。例：

Py_Finalize();

　　Python2.4环境没有提供调试版本的Python24d.lib，所以上述示例在release模式下编译。编译完成后，把可行文件和附2给出的mymod.py文件放在一起，再点击即可运行。为了简化编程，附3 给出了simplepy.h。这样，调用mymod.transform变成如下形式：

//#include”simplepy.h”
CSimplepy py;
py.ImportModule("mymod");
std::string str=py.CallObject("transform", 
"this is hjs''s test, to uppercase");
printf("%s\n", str.c_str());

　　接下来，我们来用C++为Python编写扩展模块(动态链接库)，并在Python程序中调用C++开发的扩展功能函数。生成一个取名为pyUtil的Win32 DLL工程，除了pyUtil.cpp文件以外，从工程中移除所有其它文件，并填入如下的代码：

// pyUtil.cpp
#ifdef PYUTIL_EXPORTS
#define PYUTIL_API __declspec(dllexport)
#else
#define PYUTIL_API __declspec(dllimport)
#endif

#include<windows.h>
#include<string>
#include<Python.h>
BOOL APIENTRY DllMain( HANDLE hModule, 
                       DWORD  ul_reason_for_call, 
                       LPVOID lpReserved
                    ?)
{
    switch (ul_reason_for_call)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH:
    case DLL_THREAD_ATTACH:
    case DLL_THREAD_DETACH:
    case DLL_PROCESS_DETACH:
        break;
    }
    return TRUE;
}
std::string Recognise_Img(const std::string url)
{
    //返回结果
    return "从dll中返回的数据... : " +url;
}
static PyObject* Recognise(PyObject *self, PyObject *args)
{
    const char *url;
    std::string sts;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "s", &url))
        return NULL;
    sts = Recognise_Img(url);
    return Py_BuildValue("s", sts.c_str() );
}
static PyMethodDef AllMyMethods[] = {
    {"Recognise",  Recognise, METH_VARARGS},//暴露给Python的函数
    {NULL,      NULL}        /* Sentinel */
};
extern "C" PYUTIL_API void initpyUtil()
{
    PyObject *m, *d;
    m = Py_InitModule("pyUtil", AllMyMethods); //初始化本模块，并暴露函数
    d = PyModule_GetDict(m);
}

在Python代码中调用这个动态链接库：

import pyUtil
result = pyUtil.Recognise("input url of specific data")
print "the result is: "+ result		

　　 用C++为Python写扩展时，如果您愿意使用Boost.Python库的话，开发过程会变得更开心J，要编写一个与上述pyUtil同样功能的动态 链接库，只需把文件内容替换为下面的代码。当然，编译需要boost_python.lib支持，运行需要boost_python.dll支持。

#include<string>
#include <boost/python.hpp>
using namespace boost::python;
#pragma comment(lib, "boost_python.lib")
std::string strtmp;
char const* Recognise(const char* url)
{
    strtmp ="从dll中返回的数据... : ";
    strtmp+=url;
    return strtmp.c_str();
}
BOOST_PYTHON_MODULE(pyUtil)
{
    def("Recognise", Recognise);
}

所有示例都在Microsoft Windows XP Professional + Microsoft Visual Studio .NET 2003 + Python2.4环境下测试通过，本文所用的Boost库为1.33版本。

参考资料

• [1] Python Documentation Release 2.4.1. 2005.3.30，如果您以默认方式安装了Python2.4，那么该文档的位置在C:\Program Files\Python24\Doc\Python24.chm；
• [2] Michael Dawson. Python Programming for the Absolute Beginner. Premier Press. 2003；
• [3] Mark Lutz. Programming Python, 2nd Edition. O''Reilly. 2001.3 ；
• [4] Mark Hammond, Andy Robinson. Python Programming on Win32. O''Reilly. 2000.1 ；
• Python主页：http://www.python.org；
• Boost库主面：www.boost.org；

附1 text.txt
this is test text in text.txt.
附2 mymod.py
import string
message = ''original string''
message =message+message
msg_error=""
try:
       text_file = open("text.txt", "r")
       whole_thing = text_file.read()
       print whole_thing
       text_file.close()
except IOError, (errno, strerror):
       print "I/O error(%s): %s" % (errno, strerror)
def transform(input):
    #input = string.replace(input, ''life'', ''Python'')
    return string.upper(input) 
def change_msg(nul):   
    global message #如果没有此行，message是函数里头的局部变量
    message=''string changed''
    return message
def r_file(nul):
    return whole_thing
def get_msg(nul):
return message

附3 simplepy.h
#ifndef _SIMPLEPY_H_
#define _SIMPLEPY_H_
// simplepy.h v1.0
// Purpose: facilities for Embedded Python.
// by hujinshan @2005年9月2日9:13:02
#include 
using std::string;
#include 
//--------------------------------------------------------------------
// Purpose: ease the job to embed Python into C++ applications
// by hujinshan @2005年9月2日9:13:18
//--------------------------------------------------------------------
class CSimplepy // : private noncopyable
{
public:
    ///constructor
    CSimplepy()
    {
        Py_Initialize();
        pstr=NULL, pmod=NULL, pdict=NULL;
        pfunc=NULL, pargs=NULL;
    }
    ///destructor
    virtual ~CSimplepy()    
    {   
        Py_Finalize();
    }
    ///import the user module
    bool ImportModule(const char* mod_name)
    {
        try{
            pmod  = PyImport_ImportModule(const_cast(mod_name));
            if(pmod==NULL)
                return false;
            pdict = PyModule_GetDict(pmod);
        }
        catch(...)
        {
            return false;
        }
        if(pmod!=NULL && pdict!=NULL)
            return true;
        else
            return false;
    }
    ///Executes the Python source code from command in the __main__ module. 
    ///If __main__ does not already exist, it is created. 
    ///Returns 0 on success or -1 if an exception was raised. 
    ///If there was an error, there is no way to get the exception information.
    int Run_SimpleString(const char* str)
    {
        return PyRun_SimpleString(const_cast(str) );
    }
    ///PyRun_String("message", Py_eval_input, pdict, pdict);
    ///Execute Python source code from str in the context specified by the dictionaries globals.
    ///The parameter start specifies the start token that should be used to parse the source code. 
    ///Returns the result of executing the code as a Python object, or NULL if an exception was raised.
    string Run_String(const char* str)
    {
        char *cstr;
        pstr  = PyRun_String(str, Py_eval_input, pdict, pdict);
        if(pstr==NULL)
            throw ("when Run_String, there is an exception was raised by Python environment.");
        PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);
        return string(cstr);
    }
    ///support olny one parameter for python function, I think it''s just enough.
    string CallObject(const char* func_name, const char* parameter)
    {
        pfunc=NULL;
        pfunc = PyObject_GetAttrString(pmod, const_cast(func_name));
        if(pfunc==NULL)
            throw (string("do not found in Python module for: ")
+func_name).c_str();
        char* cstr;
        pargs = Py_BuildValue("(s)", const_cast(parameter));
        pstr  = PyEval_CallObject(pfunc, pargs);
        if(pstr==NULL)
            throw ("when PyEval_CallObject, there is an exception was raised by Python environment");
        PyArg_Parse(pstr, "s", &cstr);      
        return string(cstr);
    }
    //PyObject *args;
    //args = Py_BuildValue("(si)", label, count);   /* make arg-list */
    //pres = PyEval_CallObject(Handler, args);      
protected:
    PyObject *pstr, *pmod, *pdict;
    PyObject *pfunc, *pargs;
};
#endif // _SIMPLEPY_H_
// end of file