再探C/C++扩展Python

    上篇博文是初用C/C++扩展python，只是简单的举个例子，有兴趣的可以去上篇博文里看看那个例子的代码，代码如下：

#include<Python.h>
static PyObject *pr_isprime(PyObject *self,PyObject *args){
    int n,num;
    if(!PyArg_ParseTuple(args,"i",&num))
        return NULL;
    if(num<1){
        return Py_BuildValue("i",0);
    }
    n=num-1;
    while(n>1){
        if(num%n==0)
            return Py_BuildValue("i",0);
            n--;
    }
    return Py_BuildValue("i",1);
}
 
static PyMethodDef PrMethods[]={
    {"isPrime",pr_isprime,METH_VARARGS,"check if an input numbe is prime or not."},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};
 
void initpr(void){
    (void) Py_InitModule("pr",PrMethods);
}

这两天花时间简单的研究了一下那个代码，其中最关键的是Python.h这头文件，我们可以看看这个头文件的源代码。(用的是Python2.7.12，ubuntu16.04 LTS，Python.h在/usr/include/python2.7/里)

为了节省篇幅，特意将源代码中注释给删掉，不便之处敬请谅解。

#ifndef Py_PYTHON_H
#define Py_PYTHON_H
#include "patchlevel.h"
#include "pyconfig.h"
#include "pyMacconfig.h"
#ifndef WITH_CYCLE_GC
#define WITH_CYCLE_GC 1
#endif
#include <limits.h>
#ifndef UCHAR_MAX
#error "Something's broken.  UCHAR_MAX should be defined in limits.h."
#endif
#if UCHAR_MAX != 255
#error "Python's source code assumes C's unsigned char is an 8-bit type."
#endif
#if defined(__sgi) && defined(WITH_THREAD) && !defined(_SGI_MP_SOURCE)
#define _SGI_MP_SOURCE
#endif
#include <stdio.h>
#ifndef NULL
#   error "Python.h requires that stdio.h define NULL."
#endif
#include <string.h>
#ifdef HAVE_ERRNO_H
#include <errno.h>
#endif
#include <stdlib.h>
#ifdef HAVE_UNISTD_H
#include <unistd.h>
#endif
#ifdef HAVE_STDDEF_H
#include <stddef.h>
#endif
#include <assert.h>
#include "pyport.h"
#ifndef DL_IMPORT	
#define DL_IMPORT(RTYPE) RTYPE
#endif
#ifndef DL_EXPORT	
#define DL_EXPORT(RTYPE) RTYPE
#endif
#if defined(Py_DEBUG) && defined(WITH_PYMALLOC) && !defined(PYMALLOC_DEBUG)
#define PYMALLOC_DEBUG
#endif
#if defined(PYMALLOC_DEBUG) && !defined(WITH_PYMALLOC)
#error "PYMALLOC_DEBUG requires WITH_PYMALLOC"
#endif
#include "pymath.h"
#include "pymem.h"
#include "object.h"
#include "objimpl.h"
#include "pydebug.h"
#include "unicodeobject.h"
#include "intobject.h"
#include "boolobject.h"
#include "lonGobject.h"
#include "floatobject.h"
#ifndef WITHOUT_COMPLEX
#include "complexobject.h"
#endif
#include "rangeobject.h"
#include "stringobject.h"
#include "memoryobject.h"
#include "bufferobject.h"
#include "bytesobject.h"
#include "bytearrayobject.h"
#include "tupleobject.h"
#include "listobject.h"
#include "dictobject.h"
#include "enumobject.h"
#include "setobject.h"
#include "methodobject.h"
#include "moduleobject.h"
#include "funcobject.h"
#include "classobject.h"
#include "fileobject.h"
#include "cobject.h"
#include "pycapsule.h"
#include "traceback.h"
#include "sliceobject.h"
#include "cellobject.h"
#include "iterobject.h"
#include "genobject.h"
#include "descrobject.h"
#include "warnings.h"
#include "weakrefobject.h"
#include "codecs.h"
#include "pyerrors.h"
#include "pystate.h"
#include "pyarena.h"
#include "modsupport.h"
#include "pythonrun.h"
#include "ceval.h"
#include "sysmodule.h"
#include "intrcheck.h"
#include "import.h"
#include "abstract.h"
#include "compile.h"
#include "eval.h"
#include "pyctype.h"
#include "pystrtod.h"
#include "pystrcmp.h"
#include "dtoa.h"
Pyapi_FUNC(PyObject*) _Py_Mangle(PyObject *p, PyObject *name);
#define PyArg_GetInt(v, a)	PyArg_Parse((v), "i", (a))
#define PyArg_NoArgs(v)		PyArg_Parse(v, "")
#define Py_CHARMASK(c)		((unsigned char)((c) & 0xff))
#include "pyfpe.h"
#define Py_single_input 256
#define Py_file_input 257
#define Py_eval_input 258
#ifdef HAVE_PTH
#include <pth.h>
#endif
#define PyDoc_VAR(name) static char name[]
#define PyDoc_STRVAR(name,str) PyDoc_VAR(name) = PyDoc_STR(str)
#ifdef WITH_DOC_STRINGS
#define PyDoc_STR(str) str
#else
#define PyDoc_STR(str) ""
#endif
#endif 

代码没几句，就是一堆头文件，而且在Python.h文件里没有找到 PyArg_ParseTuple()、Py_BuildValue()、PyMethodDef、PrMethods、METH_VARARGS、Py_InitModule这些变量或者函数。说实话，我第一看也纳闷呀，怎么Python.h文件里没有这些变量或者函数呢？所以很快就想到一定是在包含的头文件里的某些文件里，这么多，怎么找呀？我是写脚本程序找的，脚本程序很简单，在此就不贴代码了，几秒钟就找到了这些函数或者变量是在哪个文件里定义的。下面来一一介绍这几个变量或者函数吧，有不正确的地方，欢迎批评指正。

（1）PyArg_ParseTuple()

        该函数定义在/usr/include/python2.7/modsupport.h里。这个文件里有一段文字解释——”Module support interface“，也就是模块支持接口，这个文件里应该就是定义了对外扩展的接口。这个函数的原型是：

PyAPI_FUNC(int) PyArg_ParseTuple(PyObject *, const char *, ...)

该函数的功能是将Python对象C/c++类型数据，如果转换失败，返回0

第一个参数：包含从Python传递到C函数的参数列表的元组对象

第二个参数：是格式参数，必须是字符串，已经预定义好了的，零个或多个“格式单位”组成。一个格式单元描述一个Python对象。比如例子中的‘i'表示将Python整数对象转换为纯C语言的 int类型。

其余参数：其余参数必须是其类型由格式字符串确定的变量的地址，可以是多个地址。上面例子用的就      是num的地址&num表示的就是num的地址，&是取值运算符

一些常见的格式参数：

"s"：将Python字符串或Unicode对象转换为C里面字符串的指针，即 Python中string o或者Unicode 对象转换为C语言里 char *

“s＃”：“s”上的这个变体存储到两个C变量中，第一个是指向字符串的指针，第二个是它的长度。在这种情况下，Python字符串可能包含嵌入的空字节。如果可以进行这种转换，Unicode对象将传回指向对象的默认编码字符串版本的指针。所有其他读缓冲区兼容对象传回对原始内部数据表示的引用。即（字符串，Unicode或任何读取缓冲区兼容对象）→[char *，int]。

“z”：像“s”，但Python对象也可以是None，在这种情况下，C指针设置为NULL。即string或None）→[char *]

“z＃”：（字符串或无或任何读缓冲区兼容对象）→[char *，int]。

“u”：将Python Unicode对象转换为C指针，指向16位Unicode（UTF-16）数据的空终止缓冲区。即（Unicode对象）→[Py_UNICODE *] 。

“u＃”：这个变量“u”存储到两个C变量中，第一个是指向Unicode数据缓冲区的指针，第二个是它的长度。（Unicode对象）→[Py_UNICODE *，int]。

“es”：“s”上的此变体用于将Unicode和可转换为Unicode的对象编码为字符缓冲区。它只适用于没有嵌入NULL字节的编码数据。变量读取一个变量并存储到两个C变量中，第一个是指向编码名称字符串（编码）的指针，第二个是指向字符缓冲区的指针的指针，即（字符串，Unicode对象或字符缓冲区兼容对象）→[const char * encoding，char ** buffer]。

“es＃”：类似”es",只是第三个指向整数的指针（* buffer_length，缓冲区长度）。编码名称必须映射到注册的编×××。如果设置为NULL，则使用默认编码。即（字符串，Unicode对象或字符缓冲区兼容对象）→[const char * encoding，char ** buffer，int * buffer_length]。

“h”：将Python整数转换为C short int，即（integer）→[short int]

“i”：将Python整数转换为纯C int。即（integer）→[int]

“l”：将Python整数转换为C long int，即（integer）→[long int]

“c”：将一个Python字符（表示为长度为1的字符串）转换为C char，即（长度为1的字符串）→[char]

“f”：将Python浮点数转换为C浮点，即（float）→[float]

“d”：将Python浮点数转换为C double，即（float）→[double]

“D”：将Python复杂数字转换为C Py_complex结构，即（复合物）→[Py_complex]

“O”：将Python对象（无任何转换）存储在C对象指针中。 C程序因此接收被传递的实际对象。对象的引用计数不增加。存储的指针不为NULL。（object）→[PyObject *]

“O!"：将Python对象存储在C对象指针。这类似于“O”，但有两个C参数：第一个是Python类型对象的地址，第二个是存储对象指针的C变量（类型PyObject *）的地址。如果Python对象没有必需的类型，则会引发TypeError。（object）→[typeobject，PyObject *]

“O＆”：通过转换器函数将Python对象转换为C变量。这需要两个参数：第一个是一个函数，第二个是C变量（任意类型）的地址，（object）→[converter，anything]

“S”：像“O”，但要求Python对象是一个字符串对象。如果对象不是字符串对象，则引发TypeError。 C变量也可以声明为PyObject *。(string）→[PyStringObject *]

“u”：像“O”，但要求Python对象是一个Unicode对象。如果对象不是Unicode对象，则引发TypeError。 C变量也可以声明为PyObject *。（Unicode字符串）→[PyUnicodeObject *]

“t＃”：类似“s＃”，但接受任何实现只读缓冲区接口的对象。 char *变量被设置为指向缓冲区的第一个字节，int被设置为缓冲区的长度。只接受单段缓冲对象;对所有其他类型引发TypeError。（只读字符缓冲区）→[char *，int]

“w”：类似于“s”，但接受实现读写缓冲器接口的任何对象。调用者必须通过其他方式确定缓冲区的长度，或者使用“w＃”。只接受单段缓冲对象;对所有其他类型引发TypeError。(读写字符缓冲区）→[char *]

“w＃”：类似“s＃”，但接受任何实现读写缓冲区接口的对象。 char *变量被设置为指向缓冲区的第一个字节，int被设置为缓冲区的长度。只接受单段缓冲对象;对所有其他类型引发TypeError。（读写字符缓冲区）→[char *，int]

“items”：对象必须是Python序列，其长度是项目中的格式单位数。 C参数必须对应于各个格式单元initem。 可以嵌套序列的格式单元。（tuple）→[matching-items]

如果对Python源码稍微有点了解的话，PyObject 、PyStringObject 、PyUnicodeObject等都是Python源码里用C语言为Python定义的类型，有兴趣的可以看看《Python源码解析》这本书，里面都有介绍。

另外还有一些其他字符在格式字符串中有意义，

“|”：表示Python参数列表中的其余参数是可选的。 对应于可选参数的C变量应该被初始化为它们的默认值 - 当没有指定可选参数时，PyArg_ParseTuple（）不触及相应的C变量的内容。

“：”：格式单元列表在这里结束; 冒号之后的字符串用作错误消息中的函数（“PyArg_ParseTuple()”引发的异常的“关联值”）。

“;”：格式单元列表在这里结束; 冒号之后的字符串用作错误消息，而不是默认错误消息。 显然，“：”和“;” 互相排斥。

（2）Py_BuildValue()

     该函数也是定义在/usr/include/python2.7/modsupport.h里，原型如下：

PyAPI_FUNC(PyObject *) Py_BuildValue(const char *, ...)

它的功能与PyArg_ParseTuple()正好相反，它是将C类型的数据结构转换成Python对象。

它第一个参数是格式参数，同PyArg_ParseTuple()格式参数一样，其余参数就是一些C类型的数据咯。

看几个例子吧，对它的理解会有帮助。

Py_BuildValue("") None

Py_BuildValue("i", 123) 123

Py_BuildValue("iii", 123, 456, 789) (123, 456, 789)

Py_BuildValue("s", "hello") 'hello'

Py_BuildValue("ss", "hello", "world") ('hello', 'world')

Py_BuildValue("s#", "hello", 4) 'hell'  #这个还有一个长度限制

Py_BuildValue("()") ()

Py_BuildValue("(i)", 123) (123,)

Py_BuildValue("(ii)", 123, 456) (123, 456)

Py_BuildValue("(i,i)", 123, 456) (123, 456)

Py_BuildValue("[i,i]", 123, 456) [123, 456]

Py_BuildValue("{s:i,s:i}", "abc", 123, "def", 456) {'abc': 123, 'def': 456}

Py_BuildValue("((ii)(ii)) (ii)", 1, 2, 3, 4, 5, 6) (((1, 2), (3, 4)), (5, 6))

（3）Py_InitModule()

该函数也是定义在/usr/include/python2.7/modsupport.h里，返回一个指针指向刚创建的模块对象,看名字也知道是初始化新建模块的。函数原型：

#define Py_InitModule(name, methods) \
	Py_InitModule4(name, methods, (char *)NULL, (PyObject *)NULL, \
		       PYTHON_API_VERSION)

是宏定义，接受两个参数，第一个参数为字符串，表示模块的名称；第二个参数是一个PyMethodDef的结构体数组，表示该模块都具有哪些方法。

PyMethodDef结构体有四个字段。 

* 第一个是一个字符串，表示在Python中对应的方法的名称； 

* 第二个是对应的C代码的函数； 

* 第三个是一个标致位，表示该Python方法是否需要参数，METH_NOARGS表示不需要参数，METH_VARARGS表示需要参数，这个参数在/usr/include/python2.7/methodobject.h有定义； 

* 第四个是一个字符串，它是该方法的__doc__属性，这个不是必须的，可以为NULL。 

其源代码如下：

struct PyMethodDef {
    const char	*ml_name;	
    PyCFunction  ml_meth;	
    int		 ml_flags;	
    const char	*ml_doc;	
};
typedef struct PyMethodDef PyMethodDef;

是在/usr/include/python2.7/methodobject.h中定义的。

PyMethodDef结构体数组最后以 {NULL, NULL, 0, NULL}结尾。（感觉好像不是必须的，但是通常都这么做那我们也这么做吧）不正之处，欢迎批评指正！