用Python使用C语言程序（Windows平台）

在机器学习中，很多时候我们需要Python和C的混合编程，最重要的原因是为了性能效率的提升： 解释型语言一般比编译型语言慢，一般提高性能的有效做法是，先做性能测试，找出性能瓶颈部分，然后把瓶颈部分在扩展中实现。

本文的目标是在windows平台下（使用pycharm），实现python调用C语言编写的程序。主要参考资料：

• python扩展实现方法--python与c混和编程
• 混合编程：用 C 语言来扩展 Python 大法吧！

上面两篇博客已经写得很详细，但是都是基于linux平台和mac，我这里算是作为一篇windows平台的补充和总结，还有自己踩的一些坑，跟大家分享。

要使用python使用c语言编写的程序，大致分成两种方法，一种是纯手写，一种是用第三方的接口工具。本文将分成两部分分别讲述。

一.纯手写调用c语言

1.编写和调试c语言程序

<p>
在windows下编写c语言面临一个选择编译器的问题，不像linux一样可以直接选用gcc。这里我推荐使用VisualStudio2008作为c语言程序开发的IDE。如果你一开始就选择了vs2008，将在后期会省去很多工作。这是因为python2.7在windows下的编译器就是使用vs2008的工具。当然如果你用别的版本的vs，后面也有解决方法。还有些同学选择使用gcc在windows下的版本，也就是minGccForWin。但是不推荐这种方法，据说这在后期会有无数莫名其妙的问题。
<p>ok，假设你安装了vs的任何一个版本，我们编写以下c语言程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "Python.h"
#define BUFSIZE 10
char *reverse(char *s) {    
  register char t;
  char *p = s; 
  char *q = (s + (strlen(s) - 1));    
  while (p < q) {       
    t = *p;      
    *p++ = *q;       
    *q-- = t;    
  }    
  return s;
}
int main() {    
  char s[BUFSIZE];    
  strcpy(s, "abcdef");    
  printf("reversing 'abcdef', we get '%s'\n", reverse(s));    
  strcpy(s, "madam");    
  printf("reversing 'madam', we get '%s'\n", reverse(s));    return 0;
}

<p>其中reverse函数实现的是字符串翻转的功能，加入main函数是为了单元测试。

2.利用样板来包装代码

<p>第一步调试完程序以后，要进行代码包装。

• 包含python头文件

#include "Python.h"

• 为每一个函数增加一个型如PyObject* Module_func()的包装函数

static PyObject *Extest_reverse(PyObject *self, PyObject *args) {    
  char *orignal;    
  //s表示需要传递进来的参数类型为字符串，如果是，就赋值给original，如果不是，返回NULL；
  if (!(PyArg_ParseTuple(args, "s", &orignal))) {        
    //包装函数返回NULL，就会在Python调用中产生一个TypeError的异常
    return NULL;    
  }    
//需要把c中计算的结果转成python对象，s代表字符串对象类型。
return (PyObject *)Py_BuildValue("s", reverse(orignal));
}

<p>最重要的两个个方法：

1.PyArg_ParseTuple(args, "s", &orignal)

将python格式的参数按照指定格式解析，转存。

2.y_BuildValue("s", reverse(orignal))

将c格式的结果按照指定格式转换成python格式。
<p>下面是python和c对应的类型转换参数表：

参数转换.png
Py_BuildValue的用法表：
Py_BuildValue的用法表.png
注：上面两张图来自python扩展实现方法--python与c混和编程
<p>

• 为每个模块增加一个型如PyMethodDef ModuleMethods[]的数组

static PyMethodDefExtestMethods[] = {    
  {"fac", Extest_fac, METH_VARARGS},    
  {"doppel", Extest_doppel, METH_VARARGS},    
  {"reverse", Extest_reverse, METH_VARARGS},    
  {NULL, NULL},
};

<p>有了这个声明，python就可以方便地找到方法了。METH_VARARGS代表参数以tuple的形式传入。

• 增加模块初始化函数void initMethod()

void initExtest() {    
  Py_InitModule("Extest", ExtestMethods);
}

最后加入在模块被python导入时进行调用的代码。

<p>至此，包装代码的工作结束。把上面的代码按顺序组装即可。

3.编译与测试

编写setup.py

from distutils.core import setup, Extension
MOD = 'Extest'
setup(name=MOD, ext_modules=[Extension(MOD, sources=['Extest.c'])])

激动人心的时刻到了，开始编译，输入：

python setup.py build

但是，报错了，这是什么？

error: Unable to find vcvarsall.bat

还是编译器出了问题。如果你没有安装VS2008，一般都会碰到这个问题。以下给出解决方法：

• 1.先去下载Microsoft Visual C++ Compiler for Python 2.7
• 2.安装
  再来试试。

python setup.py build

为什么还是报同样的错误？？

• 3.手动改写注册表
  这里要考虑你的python是32位还是64位的。
  打开regedit。添加项：

32位：
HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\VisualStudio\9.0\Setup\VC
64位：
HKEY_CURRENT_USER\Software\Wow6432Node\Microsoft\VisualStudio\9.0\Setup\VC

此项下新建字符串值： 名称：productdir
数据：vcvarsall.bat所在路径
注意：路径中不包含最后的反斜杠。
再来试试。

python setup.py build

好的，这次成功了。项目目录中新增了一个build文件夹：

build.jpg

我们用的时候只需要Extest.pyd文件即可。其实本质上就是.dll动态链接库。

<p>调用的程序：

#coding=utf-8
import os
import sys
sys.path.append(os.getcwd() +"/build/lib.win32-2.7/") 
import Extest as extes
print extest.reverse('hello')

或者像这样：

python setup.py build_ext --inplace

这样，pyd文件会直接到当前目录，直接import即可。这种方法比较推荐！

目录.jpg

<p>另一种方法是直接install。即

python seup.py install

这样就可以直接import了。

4.性能测试

编写性能测试的代码如下：

#coding=utf-8
import Extest as extest
import time
def python_reverse(string):    
  return string[::-1]
start = time.time()
for i in range(100000):    
  extest.reverse('string hahahahahaha')
print u'使用c花费:'
print time.time()-start
start = time.time()
for j in range(100000):    
  python_reverse('string hahahahahaha')
print u'使用python花费:'
print time.time()-start

结果：

测试结果.jpg

可以看到，用c还是比python快的。

<p>至此，手写的方式介绍完毕。

二.使用Swig

<p>使用swig相对简单，但是当你习惯了手写以后，相信手写也是很方便的。当然，不管你使用swig还是手写，用windows的话，上面安装vc编译器还有修改注册表的步骤都是绕不过去的。

1.下载、安装swig

去官网下载。
参考官方文档。
安装完别忘了添加环境变量。

2.编写、调试c语言程序

• example.h

/*File: example.h*/
int fact(int n);

• example.c

/* File: example.c */
//计算n!
#include "example.h"
int fact(int n) {  
   if (n < 0){ 
    /* This should probably return an error, but this is simpler */      
    return 0; 
  }  
  else  if (n == 0) {          
    return 1;                  
  }  
  else {          
    /* testing for overflow would be a good idea here */          
    return n * fact(n-1);        
  }
}

3.配置swig,编译

• example.i

/* File: example.i */
%module example
%{
#define SWIG_FILE_WITH_INIT
#include "example.h"
%}
int fact(int n);

配置文件声明了模块名称，原c语言程序，以及方法。
在终端运行：

swig -python example.i

如果编译的是C++文件，需要加上-C++选项：

swig -c++ -python example.i

运行完这个命令后，在工作目录里会出现example_wrap.c和example.py，但是现在这个模块还不能直接调用，因为还缺少动态链接库。
需要编写setup.py如下：

"""    setup.py file for SWIG example"""
from distutils.core import setup, Extension
example_module = Extension('_example',
                               sources=['example_wrap.c', 'example.c'],                         )
setup(name = 'example',    version = '0.1',    author = "SWIG Docs",    description = """Simple swig example from docs""",    ext_modules = [example_module],    py_modules = ["example"],    )

在终端里输入：

python setup.py build_ext --inplace

这时目录里多了一个.pyd文件，大功告成。

4.使用

使用.jpg