Numpy Pybind Numpy访问二维/多维数组

在本文中，我们将介绍如何使用Numpy和Pybind访问二维或多维数组。Numpy是Python中最常用的数值计算库，它支持高效的数组操作和矩阵计算。Pybind是一个Python库，可以将C++代码绑定到Python中。借助Pybind，我们可以在Python中使用C++编写的高效代码。

阅读更多：Numpy 教程

通过Numpy传递数组

在Python中，我们可以使用Numpy访问二维或多维数组。Numpy数组可以通过Pybind传递到C++中，C++可以对该数组进行操作并将结果返回到Python中。下面是一个简单的例子，演示如何在Python中创建一个二维数组，然后将其通过Pybind传递到C++中进行操作。

import numpy as np
import pybind11 as pybind

# 创建一个4x4的二维数组
arr = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12], [13, 14, 15, 16]])

# 创建一个Pybind对象
cpp_module = pybind.module('cpp_module', '''
    #include <pybind11/pybind11.h>
    #include <pybind11/numpy.h>
    #include <iostream>

    namespace py = pybind11;

    void operate_on_array(py::array_t<double, py::array::c_style> arr) {
        auto buf = arr.request();

        double* ptr = (double*) buf.ptr;
        int size = buf.shape[0];

        for(int i=0; i<size; i++) {
            for(int j=0; j<size; j++) {
                ptr[i*size + j] *= 2;
            }
        }
    }
''')

# 传递数组到C++并操作
cpp_module.operate_on_array(arr)

# 打印数组
print(arr)

在这个例子中，我们首先创建了一个4×4的二维数组。然后，我们使用Pybind创建了一个名为cpp_module的C++模块。cpp_module包含一个名为operate_on_array的C++函数，该函数接收一个Numpy数组并对其进行乘2操作。在Python中，我们通过cpp_module.operate_on_array(arr)将数组arr传递到C++中进行处理。最终，数组arr中的每个元素都会被乘以2并打印出来。

在C++中访问Numpy数组

与Python一样，我们也可以使用Numpy访问数组来操作Numpy数组。在C++中，我们可以使用py::array_t模板类来声明一个Numpy数组。这个类带有两个模板参数，第一个是数组元素类型，第二个是数组的内存布局。如果不指定第二个参数，默认情况下，Numpy数组是使用C风格的行优先（row-major）内存布局存储的。

下面是一个简单的例子，演示如何在C++中访问一个二维Numpy数组。

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/numpy.h>
#include <iostream>

namespace py = pybind11;

void operate_on_array(py::array_t<double, py::array::c_style> arr) {
    auto buf = arr.request();

    double* ptr = (double*) buf.ptr;
    int size = buf.shape[0];

    for(int i=0; i<size; i++) {
        for(int j=0; j<size; j++) {
            std::cout << ptr[i*size + j] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

PYBIND11_MODULE(cpp_module, m) {
    m.def("operate_on_array", &operate_on_array, "Apply a function to a 2D numpy array.");
}

在这个例子中，operate_on_array函数接收一个二维Numpy数组，并遍历打印数组中的每个元素。在C++中，我们使用py::array_t<double, py::array::c_style>声明了一个双精度浮点型的Numpy数组，并指定了py::array::c_style作为内存布局。在函数内部，我们首先使用request()方法获取到Numpy数组的元数据和指针。然后，我们使用指针访问数组中的每个元素，并以行优先的方式打印出来。

在PYBIND11_MODULE宏中，我们定义了一个名为operate_on_array的Pybind函数，将其绑定到C++模块cpp_module中。这个函数接收一个名为arr的Numpy数组，并调用了operate_on_array函数对其进行操作。