Numpy使用SWIG将C++封装为Python NumPy数组

在本文中，我们将介绍如何使用SWIG(wrapper来包装)来将C++ STL中的< vector >封装成Python NumPy数组。NumPy是Python的数值计算库，而C++ STL是C++的标准模板库。封装C++ STL中的< vector >可以帮助将C++代码应用于Python的项目中，并且可以方便地访问和使用其功能。

阅读更多：Numpy 教程

步骤1: 编写C++文件

我们首先需要编写一个包含C++ STL中的< vector >的C ++文件。此文件的名称为myvector.h，并包含以下内容：

#include <vector>

class MyClass {
public:
    void do_something();
    std::vector<int> get_data();
private:
    std::vector<int> data;
};

void MyClass::do_something() {
    // some code to manipulate data
}

std::vector<int> MyClass::get_data() {
    return data;
}

在这个例子中，我们创建了一个具有do_something()和get_data()两个方法的类MyClass。 do_something()方法用于操作数据，而get_data()方法返回一个整数向量。我们在这里使用std::vector来存储数据。

步骤2: 创建SWIG接口文件

接下来，我们需要创建一个SWIG接口文件，以便将C++代码封装为Python可用的模块。此文件的名称为myvector.i，并包含以下内容：

%module myvector 
%{
#include "myvector.h"
%}
%include "myvector.h"

在这个例子中，我们创建了一个名为“myvector”的模块，这是我们C++类的名称。我们还在接口文件中包含了myvector.h文件。

步骤3: 创建Python包装器

现在我们需要使用SWIG来创建一个Python包装器，使得我们可以以Python的方式调用C++代码。这个包装器文件取名为python_myvector.cpp。以下是必须要在文件中定义的函数，函数签名的后面跟着具体的代码实现。

#include "myvector.h"
#include <numpy/arrayobject.h>

// Define method names
#define CLASS_SM_NAME "do_something"
#define CLASS_GD_NAME "get_data"

// Add function to initialize NumPy
void initialize_numpy() {
    import_array();
}

// Add method to convert std::vector to NumPy array
PyObject* vector_to_numpy(std::vector<int> data) {
    // Define the Numpy array dimensions
    npy_intp dims[1] = { data.size() };

    // Create an unsigned char array to hold the data
    unsigned char *raw_data = reinterpret_cast<unsigned char*>(&data[0]);

    // Create numpy array from the data and dimensions
    PyObject* numpy_array = PyArray_SimpleNewFromData(1, dims, NPY_INT, raw_data);

    // Return the created numpy array
    return numpy_array;
}

// Define Python bindings for MyClass
struct MyClassWrapper {
    MyClassWrapper() {
        // Initialize NumPy
        initialize_numpy();
    }

    void do_something(MyClass& obj) const {
        obj.do_something();
    }

    PyObject* get_data(MyClass& obj) const {
        return vector_to_numpy(obj.get_data());
    }
};

// Define the module wrapper function
extern "C" {
    // The first parameter should match the name of the .i file
    PyObject* myvector_wrap(PyObject* self, PyObject* args) {

        // Initialize NumPy
        initialize_numpy();

        // Create the Python module
        static PyMethodDef module_methods[] = {
            { NULL, NULL, 0, NULL }
        };
        static PyModuleDef module_def = {
            PyModuleDef_HEAD_INIT,
            "myvector",
            NULL,
            -1,
            module_methods,
            NULL,
            NULL,
            NULL,
            NULL
        };
        PyObject* module = PyModule_Create(&module_def);

        // Add MyClass to the module
        PyObject* myclass_type = PyType_FromSpec(NULL);
        myclass_type->tp_name = "myvector.MyClass";
        myclass_type->tp_basicsize = sizeof(MyClassWrapper);
        myclass_type->tp_flags = Py_TPFLAGS_DEFAULT| Py_TPFLAGS_BASETYPE;

        static PyMethodDef myclass_methods[] = {
            { CLASS_SM_NAME, (PyCFunction)(&MyClassWrapper::do_something), METH_VARARGS, NULL },
            { CLASS_GD_NAME, (PyCFunction)(&MyClassWrapper::get_data), METH_VARARGS, NULL },
            { NULL, NULL, 0, NULL }
        };
        myclass_type->tp_methods = myclass_methods;

        PyType_Ready(myclass_type);
        Py_INCREF(myclass_type);
        PyModule_AddObject(module, "MyClass", (PyObject*)myclass_type);

        return module;
    }
}

// Define the initialization function for the module
PyMODINIT_FUNC PyInit_myvector() {
    return myvector_wrap(NULL);
}

在这个例子中，我们定义了一个名为MyClassWrapper的结构体，它将我们在步骤1中定义的C++类绑定到Python中。我们还定义了一些辅助函数，例如将std::vector转换为NumPy array的方法。

步骤4: 构建和安装SWIG模块

现在我们已经准备好构建我们的SWIG模块了。首先要保证我们已经安装了SWIG和NumPy。进入Python包装器的目录，输入以下命令构建SWIG模块：

swig -c++ -python myvector.i
c++ -O2 -fPIC -c myvector_wrap.cxx -I/usr/include/python3.6
c++ -shared -o _myvector.so myvector_wrap.o -L/usr/lib/python3.6/config-3.6m-x86_64-linux-gnu -lpython3.6m -lutil -lm

这样就会生成一个名为_myvector.so的动态链接库。现在我们可以将它安装到Python中，以便在Python脚本中使用。

步骤5: 在Python中使用SWIG封装的C++类

现在我们可以在Python脚本中引入MyClass和myvector类，并使用这些类中的方法。以下是一个示例Python代码：

import myvector

# Create an instance of MyClass
obj = myvector.MyClass()

# Call the do_something method
obj.do_something()

# Call the get_data method and print the result
data = obj.get_data()
print(data)

这个示例代码能够让我们创建一个MyClass的实例，并调用它的do_something方法，并打印出get_data方法返回的向量。

总结

在本文中，我们学习了如何使用SWIG封装C++ STL中的< vector >类，并将其导出为Python NumPy数组。我们了解了SWIG和NumPy的工作原理，并演示了如何创建SWIG封装器，以便可以使用C++代码以Python的方式调用。通过这种方式，我们可以在Python项目中使用C++代码，从而摆脱Python和NumPy的限制，并利用C++ STL的强大功能。