Python与C混合编程时遇到的问题及解决方案(持续更新)

相互调用的方式选择

在做项目时，调研过两种方式：一是扩展Python ctypes 类型；二是引入Python开发文件实现Python的扩展。

扩展 ctypes 类型

项目中遇到的第一个需要扩展的地方是，C/C++项目中用了C++ stl::vector。问题来了，在Python 的 ctypes 中没相关类型的封装呀，于是第一时间想到的是扩展 ctypes 类型。可是在实现的时候才发现这种方式是有多麻烦。

编写 c => python 的接口文件

// vectory_py.c
extern "C" {
    vector<point_t>* new_vector(){
        return new vector<point_t>;
    }
    void delete_vector(vector<point_t>* v){
        cout << "destructor called in C++ for " << v << endl;
        delete v;
    }
    int vector_size(vector<point_t>* v){
        return v->size();
    }
    point_t vector_get(vector<point_t>* v, int i){
        return v->at(i);
    }
    void vector_push_back(vector<point_t>* v, point_t i){
        v->push_back(i);
    }
}

编译： gcc -fPIC -shared -lpython3.6m -o vector_py.so vectory_py.c

编写 ctypes 类型文件

from ctypes import *

class c_point_t(Structure):
    _fields_ = [("x", c_int), ("y", c_int)]

class Vector(object):
    lib = cdll.LoadLibrary('./vector_py_lib.so') # class level loading lib
    lib.new_vector.restype = c_void_p
    lib.new_vector.argtypes = []
    lib.delete_vector.restype = None
    lib.delete_vector.argtypes = [c_void_p]
    lib.vector_size.restype = c_int
    lib.vector_size.argtypes = [c_void_p]
    lib.vector_get.restype = c_point_t
    lib.vector_get.argtypes = [c_void_p, c_int]
    lib.vector_push_back.restype = None
    lib.vector_push_back.argtypes = [c_void_p, c_point_t]
    lib.foo.restype = None
    lib.foo.argtypes = []

    def __init__(self):
        self.vector = Vector.lib.new_vector()  # pointer to new vector

    def __del__(self):  # when reference count hits 0 in Python,
        Vector.lib.delete_vector(self.vector)  # call C++ vector destructor

    def __len__(self):
        return Vector.lib.vector_size(self.vector)

    def __getitem__(self, i):  # access elements in vector at index
        if 0 <= i < len(self):
            return Vector.lib.vector_get(self.vector, c_int(i))
        raise IndexError('Vector index out of range')

    def __repr__(self):
        return '[{}]'.format(', '.join(str(self[i]) for i in range(len(self))))

    def push(self, i):  # push calls vector's push_back
        Vector.lib.vector_push_back(self.vector, i)

    def foo(self):  # foo in Python calls foo in C++
        Vector.lib.foo(self.vector)

然后才是调用

from vector import *

a = Vector()
b = c_point_t(10, 20)
a.push(b)
a.foo()

for i in range(len(a)) :
    print(a[i].x)
    print(a[i].y)

为Python写扩展

完成上述的操作后，我头很大，很难想象当项目稍微修改后，我们要跟随变化的代码量有多大！于是换了一种思路，为Python写扩展。

安装Python开发包

yum install -y python36-devel

修改数据交互文件

#include <python3.6m/Python.h>

PyObject* foo()
{
    PyObject* result = PyList_New(0);
    int i = 0, j = 0;

    for (j = 0; j < 2; j++) {
        PyObject* sub = PyList_New(0);
        for (i = 0; i < 100; ++i)
        {
            PyList_Append(sub, Py_BuildValue("{s:i, s:i}", "x", i, "y", 100 - i));
        }
        PyList_Append(result, sub);
    }

    return result;
}

调用

from ctypes import *

lib = cdll.LoadLibrary('./extlist.so') # class level loading lib
lib.foo.restype = py_object
b = lib.foo()

for i in range(len(b)) :
   for j in range(len(b[i])) :
      d = b[i][j]
      print(d['x']) 

很显然，第二种方式中，我已经封装了很复杂的结构了，如果用 c++ 来表示的话，将是：

vector<vector<point>>

遇到的问题

Python C 混编时 Segment

这个问题困扰了我有一段时间，开始一直在纠结是代码哪错了，后来恍然大悟，Python 和 C 的堆栈是完全不同的，而当我在交互大量数据的时候，Python GC 可能会把 C 的内存当作未使用，直接给释放了(尤其是上述第二种方案)，这就是问题所在。(Python GC 中使用的代龄后续专门开文章来说明，欢迎关注公众号 cn_isnap)
这里的解决方案其实有很多，内存能撑过Python前两代的检查就可了，或者是纯C管理。在这里我推荐一种粗暴的解决方案：
对于任何调用Python对象或Python C API的C代码，确保你首先已经正确地获取和释放了GIL。 这可以用 PyGILState_Ensure() 和 PyGILState_Release() 来做到，如下所示：

...
/* Make sure we own the GIL */
PyGILState_STATE state = PyGILState_Ensure();

/* Use functions in the interpreter */
...
/* Restore previous GIL state and return */
PyGILState_Release(state);
...