C语言调用Python代码的方法

问题

你想在C中安全的执行某个Python调用并返回结果给C。 例如，你想在C语言中使用某个Python函数作为一个回调。

解决方案

在C语言中调用Python非常简单，不过涉及到一些小窍门。 下面的C代码告诉你怎样安全的调用：

#include <Python.h>

/* Execute func(x,y) in the Python interpreter. The
arguments and return result of the function must be Python floats */
double call_func(PyObject *func, double x, double y) {
PyObject *args; PyObject *kwargs; PyObject *result = 0; double retval;

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

/* Verify that func is a proper callable */ if (!PyCallable_Check(func)) {

fprintf(stderr,”call_func: expected a callablen”); goto fail;
} /* Build arguments */ args = Py_BuildValue(“(dd)”, x, y); kwargs = NULL;

/* Call the function */ result = PyObject_Call(func, args, kwargs); Py_DECREF(args); Py_XDECREF(kwargs);

/* Check for Python exceptions (if any) */ if (PyErr_Occurred()) {

PyErr_Print(); goto fail;
}

/* Verify the result is a float object */ if (!PyFloat_Check(result)) {

fprintf(stderr,”call_func: callable didn't return a floatn”); goto fail;
}

/* Create the return value */ retval = PyFloat_AsDouble(result); Py_DECREF(result);

/* Restore previous GIL state and return */ PyGILState_Release(state); return retval;

fail:
Py_XDECREF(result); PyGILState_Release(state); abort(); // Change to something more appropriate
}

要使用这个函数，你需要获取传递过来的某个已存在Python调用的引用。 有很多种方法可以让你这样做， 比如将一个可调用对象传给一个扩展模块或直接写C代码从已存在模块中提取出来。

下面是一个简单例子用来展示从一个嵌入的Python解释器中调用一个函数：

#include <Python.h>

/* Definition of call_func() same as above */
...

/* Load a symbol from a module */
PyObject *import_name(const char *modname, const char *symbol) {
 PyObject *u_name, *module;
 u_name = PyUnicode_FromString(modname);
 module = PyImport_Import(u_name);
 Py_DECREF(u_name);
 return PyObject_GetAttrString(module, symbol);
}

/* Simple embedding example */
int main() {
 PyObject *pow_func;
 double x;

 Py_Initialize();
 /* Get a reference to the math.pow function */
 pow_func = import_name("math","pow");

 /* Call it using our call_func() code */
 for (x = 0.0; x < 10.0; x += 0.1) {
 printf("%0.2f %0.2f\n", x, call_func(pow_func,x,2.0));
 }
 /* Done */
 Py_DECREF(pow_func);
 Py_Finalize();
 return 0;
}

要构建例子代码，你需要编译C并将它链接到Python解释器。 下面的Makefile可以教你怎样做（不过在你机器上面需要一些配置）。

all::
 cc -g embed.c -I/usr/local/include/python3.3m \
  -L/usr/local/lib/python3.3/config-3.3m -lpython3.3m

编译并运行会产生类似下面的输出：

0.00 0.00
0.10 0.01
0.20 0.04
0.30 0.09
0.40 0.16
...

下面是一个稍微不同的例子，展示了一个扩展函数， 它接受一个可调用对象和其他参数，并将它们传递给 call_func() 来做测试：

/* Extension function for testing the C-Python callback */
PyObject *py_call_func(PyObject *self, PyObject *args) {
 PyObject *func;

 double x, y, result;
 if (!PyArg_ParseTuple(args,"Odd", &func,&x,&y)) {
 return NULL;
 }
 result = call_func(func, x, y);
 return Py_BuildValue("d", result);
}

使用这个扩展函数，你要像下面这样测试它：

>>> import sample
>>> def add(x,y):
...   return x+y
...
>>> sample.call_func(add,3,4)
7.0
>>>

讨论

如果你在C语言中调用Python，要记住最重要的是C语言会是主体。 也就是说，C语言负责构造参数、调用Python函数、检查异常、检查类型、提取返回值等。

作为第一步，你必须先有一个表示你将要调用的Python可调用对象。 这可以是一个函数、类、方法、内置方法或其他任意实现了 __call__() 操作的东西。 为了确保是可调用的，可以像下面的代码这样利用 PyCallable_Check() 做检查：

double call_func(PyObject *func, double x, double y) {
 ...
 /* Verify that func is a proper callable */
 if (!PyCallable_Check(func)) {
 fprintf(stderr,"call_func: expected a callable\n");
 goto fail;
 }
 ...

在C代码里处理错误你需要格外的小心。一般来讲，你不能仅仅抛出一个Python异常。 错误应该使用C代码方式来被处理。在这里，我们打算将对错误的控制传给一个叫 abort() 的错误处理器。 它会结束掉整个程序，在真实环境下面你应该要处理的更加优雅些（返回一个状态码）。 你要记住的是在这里C是主角，因此并没有跟抛出异常相对应的操作。 错误处理是你在编程时必须要考虑的事情。

调用一个函数相对来讲很简单——只需要使用 PyObject_Call() ， 传一个可调用对象给它、一个参数元组和一个可选的关键字字典。 要构建参数元组或字典，你可以使用 Py_BuildValue() ,如下：

double call_func(PyObject *func, double x, double y) {
 PyObject *args;
 PyObject *kwargs;

 ...
 /* Build arguments */
 args = Py_BuildValue("(dd)", x, y);
 kwargs = NULL;

 /* Call the function */
 result = PyObject_Call(func, args, kwargs);
 Py_DECREF(args);
 Py_XDECREF(kwargs);
 ...

如果没有关键字参数，你可以传递NULL。当你要调用函数时， 需要确保使用了 Py_DECREF() 或者 Py_XDECREF() 清理参数。 第二个函数相对安全点，因为它允许传递NULL指针（直接忽略它）， 这也是为什么我们使用它来清理可选的关键字参数。

调用完Python函数之后，你必须检查是否有异常发生。 PyErr_Occurred() 函数可被用来做这件事。 对于异常的处理就有点麻烦了，由于是用C语言写的，没有Python那样的异常机制。 因此，你必须要设置一个异常状态码，打印异常信息或其他相应处理。 在这里，我们选择了简单的 abort() 来处理。另外，传统C程序员可能会直接让程序奔溃。

...
/* Check for Python exceptions (if any) */
if (PyErr_Occurred()) {
 PyErr_Print();
 goto fail;
}
...
fail:
 PyGILState_Release(state);
 abort();

从调用Python函数的返回值中提取信息通常要进行类型检查和提取值。 要这样做的话，你必须使用Python对象层中的函数。 在这里我们使用了 PyFloat_Check() 和 PyFloat_AsDouble() 来检查和提取Python浮点数。

最后一个问题是对于Python全局锁的管理。 在C语言中访问Python的时候，你需要确保GIL被正确的获取和释放了。 不然的话，可能会导致解释器返回错误数据或者直接奔溃。 调用 PyGILState_Ensure() 和 PyGILState_Release() 可以确保一切都能正常。

double call_func(PyObject *func, double x, double y) {
 ...
 double retval;

 /* Make sure we own the GIL */
 PyGILState_STATE state = PyGILState_Ensure();
 ...
 /* Code that uses Python C API functions */
 ...
 /* Restore previous GIL state and return */
 PyGILState_Release(state);
 return retval;

fail:
 PyGILState_Release(state);
 abort();
}

一旦返回，PyGILState_Ensure() 可以确保调用线程独占Python解释器。 就算C代码运行于另外一个解释器不知道的线程也没事。 这时候，C代码可以自由的使用任何它想要的Python C-API 函数。 调用成功后，PyGILState_Release()被用来将解释器恢复到原始状态。

要注意的是每一个 PyGILState_Ensure() 调用必须跟着一个匹配的 PyGILState_Release() 调用——即便有错误发生。 在这里，我们使用一个 goto 语句看上去是个可怕的设计， 但是实际上我们使用它来将控制权转移给一个普通的exit块来执行相应的操作。 在 fail: 标签后面的代码和Python的 final: 块的用途是一样的。

如果你使用所有这些约定来编写C代码，包括对GIL的管理、异常检查和错误检查， 你会发现从C语言中调用Python解释器是可靠的——就算再复杂的程序，用到了高级编程技巧比如多线程都没问题。

以上就是C语言调用Python代码的方法的详细内容，更多关于C语言调用Python的资料请关注我们其它相关文章！