Numpy数据的指针获取方式

在本文中，我们将介绍如何方便、快速地获取Numpy/Numpypy数据的指针，并对其应用做出示例说明。

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什么是指针

指针（Pointer）是C语言中一种重要的数据类型，其用途主要是存储变量在内存中的地址，从而实现对变量直接的访问和操作。在计算机科学中，指针是属于低级语言的一个概念，但对于高性能计算来说，它是极其重要的。

在Python中，Numpy/Numpypy是常用的数据处理模块，其高性能的背后就离不开指针操作。Numpy/Numpypy提供了多种获取指针的方式，以供快捷方便地实现特定的应用。

Numpy/Numpypy数据指针的获取

在Numpy中，获取数据指针的最常用方式有两种，即“指针视图”和“指针数组”：

指针视图

指针视图是一种非常方便的获取指针的方式，其可以直接将Numpy/Numpypy数据的视图转换为指定类型的C指针。下面是一些示例代码：

import numpy as np

# 获取numpy数据的指针视图
data = np.array([1, 2, 3])
ptr = data.__array_interface__['data'][0] # 直接获取地址

# 获取numpypy数据的指针视图
import numpypy
data = numpypy.array([1, 2, 3])
ptr = data.__array_interface__['data'][0] # 直接获取地址

指针数组

指针数组是一种极其高效的获取指针的方式，其可以将Numpy/Numpypy数据的每个元素的指针存储在一个数组中，从而可快速地进行遍历。下面是一些示例代码：

import numpy as np

# 获取numpy数据的指针数组
data = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
ptrs = np.asarray(data).reshape(-1).view(np.uintp)

# 获取numpypy数据的指针数组
import numpypy
data = numpypy.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]])
ptrs = np.asarray(data).reshape(-1).view(np.uintp)

通过指针视图或指针数组获得的指针均可用于锁定或提取数据，或进行其他指针操作。

Numpy/Numpypy数据的应用

得到了Numpy/Numpypy数据的指针，我们可以根据应用需要进行对应的操作。下面我们列出了一些典型的应用：

内存锁定

内存锁定是一种保护程序数据在内存中的位置不被改变的方法，这在多线程和多进程程序中非常常见。以numpy数据为例，可以使用 ctypes 库实现内存锁定：

import ctypes

array = np.array([1, 2, 3])
# 获取指针视图
ptr = array.__array_interface__['data'][0]
# 锁住内存
ctypes.cdll.LoadLibrary(None).mlock(ptr, len(array))

与C/C++交互

在C/C++程序中，经常需要用到Numpy/Numpypy数据，这时就可以利用指针视图或指针数组来进行数据传递：

// C++代码
#include <Python.h>
#include <numpy/arrayobject.h>

// 演示numpy数据的传递
void pass_numpy_array(PyObject *py_array)
{
    PyArrayObject *np_array = (PyArrayObject *)py_array; // 转换为Numpy数组
    int size = np_array->dimensions[0]; // 获取数组大小
    double *ptr = (double *)np_array->data; // 获取数据指针
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%lf ", ptr[i]); // 输出数组元素
    }
}

// Python代码
import ctypes
import numpy as np

# 定义C++扩展
c_extension = ctypes.CDLL('./numpy_interface.so') # 加载动态链接库

# 定义Python数组
array = np.array([1.0, 2.0, 3.0], dtype=np.float64)

# 获取数组的指针视图
ptr = array.__array_interface__['data'][0]

# 将指针传递给C++扩展
c_extension.pass_numpy_array(ctypes.c_void_p(int(ptr)))

以上代码演示了一个典型的进行指针交互的例子，实现了将Numpy数据传递给C++程序。