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Python與C之間的相互呼叫（Python C API及Python ctypes庫）

阿新 • • 發佈：2018-11-09

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討論新聞組及檔案

我實現“onekeycodehighlighter"中碰到的一些小問題，需要實現全域性快捷鍵，但是是事實上Qt並沒有對全域性快捷鍵提供支援，那麼用Qt的話就只能通過Win32Api來完成了，而我，用的是PyQt，還需要用Python來呼叫win32 API，事實上，都沒有什麼難的。

因為Python如此的流行，導致，開源社群按照自己的愛好，對於Python與C之間互相呼叫上，各自開發了自己想要的呼叫方式，其中包括用Python C API來完成，包括ctypes這個Python標準庫，還有那一大堆的各式各樣的繫結方案如SIP,Boost::Python等，要知道，Python流行到什麼程式，Boost庫號稱C++準標準庫，唯一對C++以外的一種語言提供了支援，那就是Python，Python還是Symbian除C++,JAVA外支援的第3種語言，當年在原來的公司，我還一直以為Python是個新鮮的小玩意兒，要我鼓搗Python C API的時候很新鮮，（事實上原公司的確沒有用Python的人）到了新公司一看，啊~~~公司只允許使用3中語言，C++,JAVA，還有Python，而大家對Python那都是駕輕就熟，信手拈來，常用來開發一些工具及指令碼，呵呵，世界原來與我想象的並不同。
這裡將以前工作中用到的Python C API知識，及最近用到的ctypes庫的知識梳理一下。

Python C API

此部分可以參考我原來的文章《python c api 使用心得...》，這裡只是會有一些實際的例子，原來那是一個大概流程的描述。
某年某月，在我開始學習Python古老的歲月中（我不是倚老賣老啊）。。。。ctypes還不存在，那時候我們都是老實的用C語言，呼叫Python CAPI來完成從Python中呼叫C語言函式的任務，我學習Python的時候還在想，哈哈哈哈哈，我以前學過C/C++，我可以很熟練的呼叫Python C API來完成Python呼叫Win32 API這樣的任務，我多了不起啊：）這個時候的感覺就像，嘿，Python你不是了不起嗎。。。。還不是沒有辦法逃離C語言的魔掌。。。。此時，畫面中出現的是K&R嘿嘿嘿嘿的冷笑。。。。Guido van Rossum在他們腳下抱著頭哭了。。。。。。。
那時候，情況大概是這樣的：

準備工作：

閒話少說，看看Python C API。事實上，Python C API比起Lua的API了來說，清晰了很多，這也符合Pythonic的風格，就算這時Python C　API是設計給C語言使用者使用的，還是這樣的風格，比起Lua API那種彙編式的介面，（據說為了效率，可以直接操作每個資料）強了太多了。
要使用Python C API，用普通的二進位制包是不行的，得下原始碼包。這裡我用3.1.1的原始碼包為例：Source Distribution
Python的原始碼在Windows的版本中已經完全換到VS2008了，直接用VS2008開啟在PCbuild目錄下的工程即可，對於VS2005及以前的使用者開啟PC目錄下的其他版本工程。我們編譯debug版本的pythoncore會得到python31_d.lib,python31_d.dll兩個檔案，需要的標頭檔案在Include目錄下，還需要將pyconfig.h檔案從PCBuild目錄下拷貝到Include中，（硬要直接指定也可以）這樣準備工作就已經齊了。

Python C API有兩個方向的使用方式，從C中呼叫Python指令碼及利用C擴充套件Python。
先講簡單的從C中呼叫Python，也就是常說的在C中內嵌Python。

C中內嵌Python

新建立一個工程，首先需要將工作目錄設定到Python-3.1.1PCbuild中，以獲取到動態庫，至於靜態庫的包含，Include目錄的指定，那自然也是少不了的。檔案中需要包含Python.h檔案，這也是必須的。
介面中
    Py_Initialize();
    Py_Finalize();
一對的呼叫是必須的，一個用於初始化Python的動態庫，一個用於釋放。釋放時會輸出[31818 refs]，意義不明。

PyRun_SimpleString

可用於執行簡單的Python語句。如下：


#include "python.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    Py_Initialize();

    PyRun_SimpleString("print("Hello World")");
    Py_Finalize();

    system("PAUSE");
    return 0;
}

 

此時，輸出為：

Hello World
[31829 refs]
請按任意鍵繼續. . .

 

此時可以執行一些Python語句了，並且，特別需要注意的是，在一個Py_Initialize();與Py_Finalize();之間，Python語句執行是在同一個執行環境中，不懂什麼意思？看個示例就知道了。


int main(int argc, char* argv[])
{
    Py_Initialize();

    PyRun_SimpleString("str = "Hello World"");
    PyRun_SimpleString("print(str)");

    Py_Finalize();

    system("PAUSE");
    return 0;
}

此例與上例輸出是一樣的，懂我的意思了吧？意思就是以前執行的語句對後面的語句是有效的，相當於在同一個互動式命令列中順序執行語句。

獲取返回值

PyRun_SimpleString有的缺點，文件中的描述是：

Returns 0 on success or -1 if an exception was raised.

那麼你就無法在Python及C語言中傳遞任何資訊。我們需要高階點的函式才行。

 

PyObject* PyRun_String(const char *str, int start, PyObject *globals, PyObject *locals)
就是幹這個的。
但是需要注意的是此函式的一些引數的獲取，按照想當然的給他們置空可是不行的，如下例所示：

#include "python.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    Py_Initialize();

    PyRun_SimpleString("x = 10");
    PyRun_SimpleString("y = 20");
    PyObject* mainModule = PyImport_ImportModule("__main__");
    PyObject* dict = PyModule_GetDict(mainModule);
    PyObject* resultObject = PyRun_String("x + y", Py_eval_input, dict, dict);

    if(resultObject)
    {
        long result = PyLong_AsLong(resultObject);
        printf("%d", result);
        Py_DECREF(resultObject);
    }

    Py_Finalize();

    system("PAUSE");
    return 0;
}
這裡我利用了一個知識，那就是PyRun_SimpleString實際是將所有的程式碼都放在__main__ 模組中執行，注意啊，沒有匯入正確的模組及其dict，你會執行失敗，失敗的很慘。至此，C語言已經於Python來了個互動了。
呵呵，突然覺得深入下去就沒有盡頭了。。。。。。。還是點到為止吧。
稍微深入點的可以去看《Programming Python》一書。在啄木鳥上有此書及一些譯文。Part VI: Integration 部分Chapter 23. Embedding Python，有相關的知識。

利用C擴充套件Python

此部分在《Programming Python》的Chapter 22. Extending Python 部分有介紹。
這裡也只能開個頭了，最多告訴你，其實，這些都沒有什麼難的。稍微複雜點的情況《python c api 使用心得...》一文中有介紹。
配置上與前面講的類似，一般來說，利用C擴充套件Python最後會生成一個動態庫，不過這個動態庫的字尾會設為.pyd，只有這樣，import的時候才會自動的查詢到。
另外，為Python寫擴充套件要遵循Python的那套規則，固定的幾個命名。
首先看自帶的例子：

#include "Python.h"

static PyObject *
ex_foo(PyObject *self, PyObject *args)
{
    printf("Hello, worldn");
    Py_INCREF(Py_None);
    return Py_None;
}

static PyMethodDef example_methods[] = {
    {"foo", ex_foo, METH_VARARGS, "foo() doc string"},
    {NULL, NULL}
};

static struct PyModuleDef examplemodule = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "example",
    "example module doc string",
    -1,
    example_methods,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_example(void)
{
    return PyModule_Create(&examplemodule);
}
這個例子包含了全部C語言為Python寫擴充套件時的基本資訊：
1.PyInit_example是最後的出口，其中需要注意的是example不僅僅代表example的意思，還代表了最後生成的庫會用example命名，也就是你呼叫此庫會需要使用
import example
的形式。
2.static struct PyModuleDef examplemodule的存在也是必須的，指定了整個模組的資訊，比如上面的"example module doc string"， 模組的說明文字。每個引數的含義上面已經有些演示了。全部內容可以參考文件中關於PyModuleDef的說明
3.example_methods是一個函式列表，事實上表示此模組中含有的函式。此例中僅含有foo一個函式。
static PyObject *
ex_foo(PyObject *self, PyObject *args)
{
    printf("Hello, worldn");
    Py_INCREF(Py_None);
    return Py_None;
}
就是整個函式的具體實現了，此函式表示輸出"Hello, world"，還是hello world。。。。。。。。這個world還真忙啊。。。。天天有人say hello。

這個Python本身附帶的例子有點太簡單了，我給出一個稍微複雜點的例子，還是我最喜歡的MessageBox,最後的效果自然還是Hello world。。。。。。。。。。。

#include

static PyObject *
MessageBox(PyObject *self, PyObject *args)
{
    LPCSTR lpText;
    LPCSTR lpCaption;
    UINT uType;

    PyArg_ParseTuple(args, "ssi", &lpText, &lpCaption, &uType);

    int result = MessageBoxA(0, lpText, lpCaption, uType);

    PyObject* resultObject = Py_BuildValue("%i", result);

    return resultObject;
}

static PyMethodDef c_methods[] = {
    {"MessageBox", MessageBox, METH_VARARGS, "MessageBox() "},
    {NULL, NULL}
};

static struct PyModuleDef win32module = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "Win32API",
    "Win32 API MessageBox",
    -1,
    c_methods,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL
};

PyMODINIT_FUNC
PyInit_Win32API(void)
{
    return PyModule_Create(&win32module);
}

需要注意的還是需要注意，唯一有點區別的是這裡我有從Python中傳進來的引數及從C中傳出去的返回值了。
PyArg_ParseTuple 用於解析引數
Py_BuildValue 用於構建一個Python的值返回
他們的構建和解析形式有點類似於sprintf等C常見的形式，可是每個字元代表的東西不一定一樣，需要注意，文件中比較詳細，此例中展示的是String及int的轉換。

以生成動態庫的方式編譯此檔案後，並指定為Win32API.pyd檔案，然後將其拷貝到Python_d所在的目錄（用Python3.1.1原始碼生成的除錯版本Python），此時import會首先查詢*_d.pyd形式的動態庫，不然只會搜尋release版。
首先看看庫的資訊：
>>> import Win32API
[44692 refs]
>>> dir(Win32API)
['MessageBox', '__doc__', '__file__', '__name__', '__package__']
[44705 refs]
>>> help(Win32API)
Help on module Win32API:

NAME
    Win32API - Win32 API MessageBox

FILE
    d:python-3.1.1pcbuildwin32api_d.pyd

FUNCTIONS
    MessageBox(...)
        MessageBox()


[68311 refs]
注意到文件的作用了吧？還注意到dir的強大。。。。。。。。。。。。。此時MessageBox已經在Win32API中了，直接呼叫吧。我這裡忽略了視窗的控制代碼，需要注意。

多麼繁忙的World啊。。。。。。。。
此時你會想，太強大了，我要將整個的Win32 API到處，於是Python就能像C/C++語言一樣完全操作整個作業系統了，並且，這還是動態的！！！！
沒錯，不過多大的工作量啊。。。。。。不過，Python這麼流行，總是有人做這樣的事情的，於是PyWindows出世了。去安裝一個，於是你什麼都有了。
>>> import win32api
>>> win32api.MessageBox(0, "Great", "Hello World", 0)
1
這樣，就能達到上面全部的效果。。。。。。。。。。。


Python ctypes

如此這般，原來Python還是離不開C啊（雖然Python本身使用C寫的）。。。，直到。。。。某年某月ctypes橫空出世了，於是，完全不懂C語言的人，也可以直接用Python來完成這樣的工作了。毫無疑問，Python越來越自成體系了，他們的目標是，沒有其他語言！-_-!在Python v3.1.1的文件中如此描述，
ctypes — A foreign function library for Python
然後：It can be used to wrap these libraries in pure Python.
注意，他們要的是Pure Python！（我不是想要挑起語言戰爭。。。。。）
Guido van Rossum開始說，wrap these,in pure Python。。。。不要再用foreign語言，血統不pure的傢伙了。


閒話少說，看看ctypes，因為是pure Python嘛，所以看起來很簡單，事實上文件也比較詳細（當然，還是遺漏了一些細節），下面都以Windows中的Python3.1.1的操作為例：
>>> import ctypes
>>> from ctypes import *
>>> dir(ctypes)
['ARRAY', 'ArgumentError', 'Array', 'BigEndianStructure', 'CDLL', 'CFUNCTYPE', '
DEFAULT_MODE', 'DllCanUnloadNow', 'DllGetClassObject', 'FormatError', 'GetLastEr
ror', 'HRESULT', 'LibraryLoader', 'LittleEndianStructure', 'OleDLL', 'POINTER',
'PYFUNCTYPE', 'PyDLL', 'RTLD_GLOBAL', 'RTLD_LOCAL', 'SetPointerType', 'Structure
', 'Union', 'WINFUNCTYPE', 'WinDLL', 'WinError', '_CFuncPtr', '_FUNCFLAG_CDECL',
 '_FUNCFLAG_PYTHONAPI', '_FUNCFLAG_STDCALL', '_FUNCFLAG_USE_ERRNO', '_FUNCFLAG_U
SE_LASTERROR', '_Pointer', '_SimpleCData', '__builtins__', '__doc__', '__file__'
, '__name__', '__package__', '__path__', '__version__', '_c_functype_cache', '_c
alcsize', '_cast', '_cast_addr', '_check_HRESULT', '_check_size', '_ctypes_versi
on', '_dlopen', '_endian', '_memmove_addr', '_memset_addr', '_os', '_pointer_typ
e_cache', '_string_at', '_string_at_addr', '_sys', '_win_functype_cache', '_wstr
ing_at', '_wstring_at_addr', 'addressof', 'alignment', 'byref', 'c_bool', 'c_buf
fer', 'c_byte', 'c_char', 'c_char_p', 'c_double', 'c_float', 'c_int', 'c_int16',
 'c_int32', 'c_int64', 'c_int8', 'c_long', 'c_longdouble', 'c_longlong', 'c_shor
t', 'c_size_t', 'c_ubyte', 'c_uint', 'c_uint16', 'c_uint32', 'c_uint64', 'c_uint
8', 'c_ulong', 'c_ulonglong', 'c_ushort', 'c_void_p', 'c_voidp', 'c_wchar', 'c_w
char_p', 'cast', 'cdll', 'create_string_buffer', 'create_unicode_buffer', 'get_e
rrno', 'get_last_error', 'memmove', 'memset', 'oledll', 'pointer', 'py_object',
'pydll', 'pythonapi', 'resize', 'set_conversion_mode', 'set_errno', 'set_last_er
ror', 'sizeof', 'string_at', 'windll', 'wstring_at']

一個這樣的小玩意兒包含的東西還真不少啊，可以看到主要包括一些C語言的型別定義。
當你import ctypes的時候，一些動態庫已經載入了：
>>> print(windll.kernel32)

>>> print(windll.user32)

>>> print(windll.msvcrt)


直接來使用試試吧，我們最喜歡的自然是Hello World。這裡直接呼叫MessageBox。查查MSDN，MessageBox在User32中，我們呼叫它。
>>> MessageBox = windll.user32.MessageBoxW
>>> MessageBox(0,"Great","Hello World", 0)
然後，就呼叫了MessageBox了。。。。。。。。

怎麼？暈了？比較一下ctypes庫及Python C API吧。。。。於是，K&R哭了。。。。。。。。。。。。。
故事以下圖開始
以下圖結束：






 

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專案 Value
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手機 $12
導管 $1

設定內容居中、居左、居右

使用:---------:居中
使用:----------居左
使用----------:居右

第一列 第二列 第三列
第一列文字居中 第二列文字居右 第三列文字居左

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Markdown
Text-to- HTML conversion tool
Authors
John
Luke

如何建立一個註腳

一個具有註腳的文字。2

註釋也是必不可少的

Markdown將文字轉換為 HTML。

KaTeX數學公式

您可以使用渲染LaTeX數學表示式 KaTeX:

Gamma公式展示 Γ ( n ) = ( n − 1 ) ! ∀ n ∈ N \Gamma(n) = (n-1)!\quad\forall n\in\mathbb N 是通過尤拉積分

Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ t z − 1 e − t d t   . \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}dt\,.

你可以找到更多關於的資訊 LaTeX 數學表示式here.

新的甘特圖功能，豐富你的文章

gantt
        dateFormat  YYYY-MM-DD
        title Adding GANTT diagram functionality to mermaid
        section 現有任務
        已完成               :done,    des1, 2014-01-06,2014-01-08
        進行中               :active,  des2, 2014-01-09, 3d
        計劃一               :         des3, after des2, 5d
        計劃二               :         des4, after des3, 5d
  • 關於 甘特圖 語法，參考 這兒,

UML 圖表

可以使用UML圖表進行渲染。 Mermaid. 例如下面產生的一個序列圖：:

這將產生一個流程圖。:

  • 關於 Mermaid 語法，參考 這兒,

FLowchart流程圖

我們依舊會支援flowchart的流程圖：

  • 關於 Flowchart流程圖 語法，參考 這兒.

匯出與匯入

匯出

如果你想嘗試使用此編輯器, 你可以在此篇文章任意編輯。當你完成了一篇文章的寫作, 在上方工具欄找到 文章匯出 ，生成一個.md檔案或者.html檔案進行本地儲存。

匯入

如果你想載入一篇你寫過的.md檔案或者.html檔案，在上方工具欄可以選擇匯入功能進行對應副檔名的檔案匯入，
繼續你的創作。

  1. mermaid語法說明 ↩︎

  2. 註腳的解釋 ↩︎

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