Python 3 - Programação de extensão com C

Qualquer código que você escrever usando qualquer linguagem compilada como C, C ++ ou Java pode ser integrado ou importado para outro script Python. Este código é considerado uma "extensão".

Um módulo de extensão Python nada mais é do que uma biblioteca C normal. Em máquinas Unix, essas bibliotecas geralmente terminam em.so(para objeto compartilhado). Em máquinas Windows, você normalmente vê.dll (para biblioteca vinculada dinamicamente).

Pré-requisitos para escrever extensões

Para começar a escrever sua extensão, você vai precisar dos arquivos de cabeçalho Python.

Em máquinas Unix, isso geralmente requer a instalação de um pacote específico do desenvolvedor, como python2.5-dev.
Os usuários do Windows obtêm esses cabeçalhos como parte do pacote quando usam o instalador binário do Python.

Além disso, presume-se que você tenha um bom conhecimento de C ou C ++ para escrever qualquer extensão Python usando programação C.

Primeiro, olhe para uma extensão Python

Para sua primeira olhada em um módulo de extensão Python, você precisa agrupar seu código em quatro partes -

O arquivo de cabeçalho Python.h .
As funções C que você deseja expor como a interface de seu módulo.
Uma tabela que mapeia os nomes de suas funções, pois os desenvolvedores Python as veem como funções C dentro do módulo de extensão.
Uma função de inicialização.

O arquivo de cabeçalho Python.h

Você precisa incluir o arquivo de cabeçalho Python.h em seu arquivo-fonte C, o que lhe dá acesso à API interna do Python usada para conectar seu módulo ao interpretador.

Certifique-se de incluir Python.h antes de qualquer outro cabeçalho que você possa precisar. Você precisa seguir as inclusões com as funções que deseja chamar do Python.

As funções C

As assinaturas da implementação C de suas funções sempre assumem uma das três formas a seguir -

static PyObject *MyFunction( PyObject *self, PyObject *args );

static PyObject *MyFunctionWithKeywords(PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kw);

static PyObject *MyFunctionWithNoArgs( PyObject *self );

Cada uma das declarações anteriores retorna um objeto Python. Não existe função void em Python como existe em C. Se você não quiser que suas funções retornem um valor, retorne o equivalente em C do PythonNonevalor. Os cabeçalhos Python definem uma macro, Py_RETURN_NONE, que faz isso para nós.

Os nomes de suas funções C podem ser o que você quiser, pois eles nunca são vistos fora do módulo de extensão. Eles são definidos como função estática .

Suas funções C geralmente são nomeadas combinando o módulo Python e nomes de função juntos, como mostrado aqui -

static PyObject *module_func(PyObject *self, PyObject *args) {
   /* Do your stuff here. */
   Py_RETURN_NONE;
}

Esta é uma função Python chamada func dentro do módulo do módulo . Você colocará ponteiros para suas funções C na tabela de métodos do módulo que geralmente vem a seguir em seu código-fonte.

A Tabela de Mapeamento de Método

Esta tabela de método é uma matriz simples de estruturas PyMethodDef. Essa estrutura se parece com isto -

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

Aqui está a descrição dos membros desta estrutura -

ml_name - Este é o nome da função que o interpretador Python apresenta quando é usado em programas Python.
ml_meth - Este é o endereço de uma função que possui qualquer uma das assinaturas descritas na seção anterior.
ml_flags - Isso diz ao intérprete qual das três assinaturas ml_meth está usando.
- Este sinalizador geralmente tem um valor de METH_VARARGS.
- Este sinalizador pode ser bit a bit OR'ed com METH_KEYWORDS se você deseja permitir argumentos de palavra-chave em sua função.
- Isso também pode ter um valor de METH_NOARGS que indica que você não deseja aceitar nenhum argumento.
ml_doc - Esta é a docstring para a função, que pode ser NULL se você não quiser escrever uma.

Esta tabela precisa ser encerrada com uma sentinela que consiste em valores NULL e 0 para os membros apropriados.

Exemplo

Para a função definida acima, temos a seguinte tabela de mapeamento de método -

static PyMethodDef module_methods[] = {
   { "func", (PyCFunction)module_func, METH_NOARGS, NULL },
   { NULL, NULL, 0, NULL }
};

A Função de Inicialização

A última parte do seu módulo de extensão é a função de inicialização. Esta função é chamada pelo interpretador Python quando o módulo é carregado. É necessário que a função seja nomeadainitModule, onde Módulo é o nome do módulo.

A função de inicialização precisa ser exportada da biblioteca que você irá construir. Os cabeçalhos Python definem PyMODINIT_FUNC para incluir os encantamentos apropriados para que isso aconteça para o ambiente específico no qual estamos compilando. Tudo que você precisa fazer é usá-lo ao definir a função.

Sua função de inicialização C geralmente tem a seguinte estrutura geral -

PyMODINIT_FUNC initModule() {
   Py_InitModule3(func, module_methods, "docstring...");
}

Aqui está a descrição de Py_InitModule3 função -

func - Esta é a função a ser exportada.
module_methods - Este é o nome da tabela de mapeamento definido acima.
docstring - Este é o comentário que você deseja fazer em sua extensão.

Juntando tudo isso, parece o seguinte -

#include <Python.h>

static PyObject *module_func(PyObject *self, PyObject *args) {
   /* Do your stuff here. */
   Py_RETURN_NONE;
}

static PyMethodDef module_methods[] = {
   { "func", (PyCFunction)module_func, METH_NOARGS, NULL },
   { NULL, NULL, 0, NULL }
};

PyMODINIT_FUNC initModule() {
   Py_InitModule3(func, module_methods, "docstring...");
}

Exemplo

Um exemplo simples que faz uso de todos os conceitos acima -

#include <Python.h>

static PyObject* helloworld(PyObject* self)
{
   return Py_BuildValue("s", "Hello, Python extensions!!");
}

static char helloworld_docs[] =
   "helloworld( ): Any message you want to put here!!\n";

static PyMethodDef helloworld_funcs[] = {
   {"helloworld", (PyCFunction)helloworld, 
   METH_NOARGS, helloworld_docs},
   {NULL}
};

void inithelloworld(void)
{
   Py_InitModule3("helloworld", helloworld_funcs, "Extension module example!");
}

Aqui, a função Py_BuildValue é usada para construir um valor Python. Salve o código acima no arquivo hello.c. Veríamos como compilar e instalar este módulo para ser chamado a partir do script Python.

Criação e instalação de extensões

O pacote distutils torna muito fácil distribuir módulos Python, tanto Python puro quanto módulos de extensão, de uma forma padrão. Os módulos são distribuídos na forma de código-fonte, construídos e instalados por meio de um script de configuração geralmente denominado setup.py as.

Para o módulo acima, você precisa preparar o seguinte script setup.py -

from distutils.core import setup, Extension
setup(name = 'helloworld', version = '1.0',  \
   ext_modules = [Extension('helloworld', ['hello.c'])])

Agora, use o seguinte comando, que executaria todas as etapas de compilação e vinculação necessárias, com os comandos e sinalizadores do compilador e vinculador corretos e copia a biblioteca dinâmica resultante em um diretório apropriado -

$ python setup.py install

Em sistemas baseados em Unix, você provavelmente precisará executar este comando como root para ter permissões para gravar no diretório de pacotes do site. Isso geralmente não é um problema no Windows.

Importando extensões

Depois de instalar suas extensões, você poderá importar e chamar essa extensão em seu script Python da seguinte maneira -

Exemplo

#!/usr/bin/python3
import helloworld

print helloworld.helloworld()

Resultado

Isso produziria o seguinte resultado -

Hello, Python extensions!!

Passando Parâmetros de Função

Como você provavelmente desejará definir funções que aceitem argumentos, você pode usar uma das outras assinaturas para suas funções C. Por exemplo, a função a seguir, que aceita alguns parâmetros, seria definida assim -

static PyObject *module_func(PyObject *self, PyObject *args) {
   /* Parse args and do something interesting here. */
   Py_RETURN_NONE;
}

A tabela de métodos contendo uma entrada para a nova função seria semelhante a esta -

static PyMethodDef module_methods[] = {
   { "func", (PyCFunction)module_func, METH_NOARGS, NULL },
   { "func", module_func, METH_VARARGS, NULL },
   { NULL, NULL, 0, NULL }
};

Você pode usar a função API PyArg_ParseTuple para extrair os argumentos de um ponteiro PyObject passado para sua função C.

O primeiro argumento para PyArg_ParseTuple é o argumento args. Este é o objeto que você analisará . O segundo argumento é uma string de formato que descreve os argumentos conforme você espera que apareçam. Cada argumento é representado por um ou mais caracteres na string de formato conforme a seguir.

static PyObject *module_func(PyObject *self, PyObject *args) {
   int i;
   double d;
   char *s;

   if (!PyArg_ParseTuple(args, "ids", &i, &d, &s)) {
      return NULL;
   }
   
   /* Do something interesting here. */
   Py_RETURN_NONE;
}

Resultado

Compilar a nova versão do seu módulo e importá-la permite que você invoque a nova função com qualquer número de argumentos de qualquer tipo -

module.func(1, s = "three", d = 2.0)
module.func(i = 1, d = 2.0, s = "three")
module.func(s = "three", d = 2.0, i = 1)

Você provavelmente pode criar ainda mais variações.

A função PyArg_ParseTuple

Aqui está a assinatura padrão para o PyArg_ParseTuple função -

int PyArg_ParseTuple(PyObject* tuple,char* format,...)

Esta função retorna 0 para erros e um valor diferente de 0 para sucesso. Tupla é o PyObject * que foi o segundo argumento da função C. Aqui, o formato é uma string C que descreve os argumentos obrigatórios e opcionais.

Aqui está uma lista de códigos de formato para o PyArg_ParseTuple função -

Código	Tipo C	Significado
c	Caracteres	Uma string Python de comprimento 1 torna-se um C char.
d	em dobro	Um float Python se torna um duplo C.
f	flutuador	Um float Python se torna um float C.
Eu	int	Um int Python torna-se um int C.
eu	grandes	Um int Python torna-se um C longo.
eu	longo longo	Um Python int torna-se um C longo
O	PyObject *	Obtém referência não NULL emprestada ao argumento Python.
s	Caracteres*	Cadeia de caracteres Python sem nulos incorporados em C char *.
s #	char * + int	Qualquer string Python para endereço C e comprimento.
t #	char * + int	Buffer de segmento único somente leitura para endereço C e comprimento.
você	Py_UNICODE *	Python Unicode sem nulos incorporados a C.
você#	Py_UNICODE * + int	Qualquer endereço e comprimento Python Unicode C.
W#	char * + int	Leitura / gravação de buffer de segmento único no endereço C e comprimento.
z	Caracteres*	Como s, também aceita Nenhum (define C char * como NULL).
z #	char * + int	Como s #, também aceita Nenhum (define C char * como NULL).
(...)	conforme ...	Uma sequência Python é tratada como um argumento por item.
\|		Os seguintes argumentos são opcionais.
:		Fim do formato, seguido pelo nome da função para mensagens de erro.
;		Fim do formato, seguido por todo o texto da mensagem de erro.

Valores de Retorno

Py_BuildValue recebe uma string de formato muito parecido com PyArg_ParseTuple . Em vez de passar os endereços dos valores que você está construindo, você passa os valores reais. Aqui está um exemplo que mostra como implementar uma função add -

static PyObject *foo_add(PyObject *self, PyObject *args) {
   int a;
   int b;

   if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {
      return NULL;
   }
   return Py_BuildValue("i", a + b);
}

Isso é o que pareceria se implementado em Python -

def add(a, b):
   return (a + b)

Você pode retornar dois valores de sua função da seguinte maneira. Isso seria capturado usando uma lista em Python.

static PyObject *foo_add_subtract(PyObject *self, PyObject *args) {
   int a;
   int b;

   if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &a, &b)) {
      return NULL;
   }
   return Py_BuildValue("ii", a + b, a - b);
}

Isso é o que pareceria se implementado em Python -

def add_subtract(a, b):
   return (a + b, a - b)

A função Py_BuildValue

Aqui está a assinatura padrão para Py_BuildValue função -

PyObject* Py_BuildValue(char* format,...)

Aqui, format é uma string C que descreve o objeto Python a ser construído. Os seguintes argumentos de Py_BuildValue são valores C a partir dos quais o resultado é construído. O resultado PyObject * é uma nova referência.

A tabela a seguir lista as strings de código comumente usadas, das quais zero ou mais são unidas em um formato de string.

Código	Tipo C	Significado
c	Caracteres	AC char torna-se uma string Python de comprimento 1.
d	em dobro	AC double se torna um float Python.
f	flutuador	Float AC torna-se um float Python.
Eu	int	AC int se torna um Python int.
eu	grandes	AC long torna-se um Python int.
N	PyObject *	Passa um objeto Python e rouba uma referência.
O	PyObject *	Passa um objeto Python e o INCREFERA normalmente.
O &	converter + anular *	Conversão arbitrária
s	Caracteres*	C 0-terminado char * para Python string, ou NULL para Nenhum.
s #	char * + int	C char * e comprimento para a string Python ou NULL para Nenhum.
você	Py_UNICODE *	Cadeia de caracteres terminada em nulo em todo o C para Python Unicode ou NULL para Nenhum.
você#	Py_UNICODE * + int	Cadeia de caracteres e comprimento de C para Python Unicode ou NULL para Nenhum
W#	char * + int	Leitura / gravação de buffer de segmento único no endereço C e comprimento.
z	Caracteres*	Como s, também aceita Nenhum (define C char * como NULL).
z #	char * + int	Como s #, também aceita Nenhum (define C char * como NULL).
(...)	conforme ...	Constrói tupla Python a partir de valores C.
[...]	conforme ...	Constrói uma lista Python a partir de valores C.
{...}	conforme ...	Constrói dicionário Python a partir de valores C, alternando chaves e valores.

Code {...} constrói dicionários a partir de um número par de valores C, chaves e valores alternados. Por exemplo, Py_BuildValue ("{issi}", 23, "zig", "zag", 42) retorna um dicionário como o {23: 'zig', 'zag': 42} do Python.

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