Python 如何调用C函数

在Python中调用C函数可以通过整合C库的功能大大增强程序的能力。Python以其简洁性和多功能性而闻名，提供了各种无缝集成C代码的方法，从而提高性能并访问低级系统API。本文探讨了在Python中调用C函数的话题，重点介绍了利用Python的优势的不同方法。一种流行的方法是使用ctypes库，该库允许直接从动态链接库调用C函数。我们还将深入研究CFFI库，该库提供了一个高级界面来调用C函数，以及ctypes与numpy库的强大组合，以高效处理数值数据。此外，我们还将介绍Cython语言，使用Python语法创建C扩展件。通过掌握这些技术，我们可以在您的Python代码中利用C的强大功能，释放更出色的编程能力，以及解决各种任务。

使用ctypes库

Python的ctypes库是一个强大的资源，使我们能够生成与C兼容的数据类型，并使用Python直接调用动态链接库或共享库中的函数。下面，您将找到一份详细的指南，详细介绍如何使用ctypes来调用C函数：

步骤1：导入ctypes模块

import ctypes

步骤2：加载包含C函数的共享库

lib = ctypes.CDLL('./mylibrary.so')

这一步将共享库文件加载到内存中，使其中的函数可访问。

步骤3：声明函数原型

my_function = lib.my_function
my_function.argtypes = [ctypes.c_int, ctypes.c_int]
my_function.restype = ctypes.c_int

在这一步中，我们通过将来自库的C函数与Python变量相关联来建立函数原型。此外，我们使用argtypes定义参数类型，使用restype定义返回类型。

步骤4：从Python调用C函数

result = my_function(5, 10)
print(result)

最后，我们可以像调用其他Python函数一样调用C函数。传递所需的参数，它将执行相应的C代码。C函数返回的结果可以存储在变量中并打印出来，或者在Python程序中进一步使用。

使用CFFI库

CFFI（C Foreign Function Interface）是另一个允许从Python调用C函数的库。它比ctypes提供了更高级别的接口，并支持更广泛的C功能。以下是一个示例：

第1步：安装CFFI库

使用命令pip install cffi在您的系统上安装CFFI库。

第2步：导入cffi模块并创建CFFI接口对象

在您的Python代码中，导入cffi模块以访问其功能。然后，使用以下代码创建CFFI接口对象：

import cffi
ffi = cffi.FFI()

第3步：使用CFFI语法定义C函数原型

在使用CFFI库时，需要在从Python调用之前定义C函数原型。为了实现这一点，我们可以利用ffi.cdef()函数，它允许我们使用C语法规定函数的签名。通过提供正确的函数签名，CFFI能够了解C函数的参数和返回类型，实现Python和C之间的无缝通信。以下是示例代码：

ffi.cdef("""
    int my_function(int a, int b);
""")

第4步: 加载共享库并获取 C 函数指针

通过使用 CFFI 库，我们可以使用 ffi.dlopen() 函数加载包含所需的 C 函数的共享库。这个函数由 CFFI 提供，它使我们能够指定共享库文件的路径（如 .so 文件）。它返回一个库句柄，使我们可以访问库中的C函数。下面是一个示例说明这个过程：

lib = ffi.dlopen('./mylibrary.so')
my_function = lib.my_function

第5步：从Python调用C函数

在获取了C函数指针之后，调用C函数就变得和调用其他任何Python函数一样简单。只需按照C函数原型指定的格式提供参数即可。下面是一个例子：

result = my_function(5, 10)

通过以下步骤，我们可以有效地使用CFFI库从Python中调用C函数，弥合两种语言之间的差距，并在您的Python代码中利用C的功能。

使用Cython语言

Cython扩展了Python的语法，以Python的方式创建C扩展。它充当Python和C之间的桥梁，允许开发人员将Python的简洁性与C的性能结合起来。使用Cython，您可以利用Python的高级功能，同时无缝地将低级C功能融入您的代码中。

步骤1: 创建一个.pyx文件（例如mymodule.pyx），并包含以下内容

cdef extern from "./myheader.h":
    int my_function(int a, int b)

def call_c_function(int a, int b):
return my_function(a, b)

步骤2：创建一个名为setup.py的文件，文件内容如下

from setuptools import setup
from Cython.Build import cythonize

setup(
    ext_modules=cythonize("mymodule.pyx")
)

步骤3：编译Cython模块

要编译Cython模块，请在终端中导航到包含setup.py文件的目录，并执行以下命令：

python setup.py build_ext --inplace

这个命令将会生成必要的C文件并将它们编译成一个共享库。

步骤4：导入该模块并调用C函数

import mymodule

result = mymodule.call_c_function(5, 10)
print(result)

结论

总之，通过在Python中调用C函数，可以为Python应用程序集成高性能功能和直接系统访问提供稳健的手段。通过使用ctypes、CFFI和Cython等库，开发人员可以轻松地连接Python和C，有效地缩小了两种语言之间的差距。无论您是要优化计算密集型任务，与硬件设备交互，还是利用现有的C库，这些技术都提供了卓越的灵活性和效率。通过掌握在Python中调用C函数的艺术，开发人员可以获得广泛的可能性，使他们能够在兼顾两种语言的最佳方面的同时解决各种编程挑战。