Python 与 C 的互相调用

1. 引言

Python 是一门简单易学、功能强大的编程语言，而 C 语言是一种底层的、高性能的编程语言。在某些场景下，我们可能需要使用到 C 语言的高性能特性，但是又想充分发挥 Python 的便捷与简洁。这时，我们可以借助 Python 与 C 语言之间的互相调用来实现这一需求。

在本文中，我们将详细介绍如何使用 Python 与 C 语言进行互相调用。首先，我们将介绍如何从 Python 调用 C 语言的函数；接着我们将讨论如何从 C 语言调用 Python 的函数。最后，我们将通过具体的示例代码来说明这些概念的应用。

2. 从 Python 调用 C 语言函数

Python 提供了一个名为 ctypes 的标准库，可以用来与 C 语言进行交互。使用 ctypes，我们可以轻松地将 C 语言的函数导入到 Python 中，并在 Python 中调用这些函数。

下面是一个简单的示例代码，展示了如何从 Python 中调用 C 语言的函数：

import ctypes

# 加载动态链接库
lib_example = ctypes.CDLL('./example.so')

# 导入 C 函数
add_numbers = lib_example.add_numbers
add_numbers.restype = ctypes.c_int
add_numbers.argtypes = [ctypes.c_int, ctypes.c_int]

# 调用 C 函数
result = add_numbers(3, 4)
print(result)

上面的示例代码中，我们首先使用 ctypes.CDLL 函数加载了一个动态链接库（通常是由 C 语言编写的）。然后，我们通过 lib_example 对象来导入 C 函数 add_numbers。在导入函数后，我们还可以指定函数的返回值类型和参数类型。

在调用函数时，我们直接像调用 Python 函数一样调用 C 函数，并传入适当的参数。最后，我们通过打印出结果来验证 C 函数的调用。

需要注意的是，这里使用的是 example.so 文件，这是一个编译好的 C 语言动态链接库文件。你可以使用一个 C 编译器（比如 gcc）将 C 语言源码编译成动态链接库。这超过了本文的范围，所以这里不再展开。

3. 从 C 语言调用 Python 函数

与从 Python 调用 C 函数类似，我们也可以从 C 语言中调用 Python 函数。为此，Python 提供了一个名为 Python/C API 的接口，它允许我们以 C 语言的方式调用 Python 函数。

下面是一个示例的 C 程序，展示了如何从 C 语言中调用 Python 函数：

#include <Python.h>

int main() {
    // 初始化 Python 解释器
    Py_Initialize();

    // 导入 Python 模块
    PyObject* my_module = PyImport_ImportModule("my_module");

    // 导入 Python 函数
    PyObject* my_function = PyObject_GetAttrString(my_module, "my_function");

    // 准备函数参数
    PyObject* args = PyTuple_Pack(2, PyLong_FromLong(3), PyLong_FromLong(4));

    // 调用 Python 函数
    PyObject* result = PyObject_CallObject(my_function, args);

    // 获取函数返回值
    long ret = PyLong_AsLong(result);

    // 打印结果
    printf("%ld\n", ret);

    // 清理资源
    Py_DECREF(my_module);
    Py_DECREF(my_function);
    Py_DECREF(args);
    Py_DECREF(result);

    // 释放 Python 解释器
    Py_Finalize();

    return 0;
}

上述示例代码中，我们首先使用 Py_Initialize 函数初始化了 Python 解释器。然后，我们使用 PyImport_ImportModule 导入了一个名为 my_module 的 Python 模块。之后，我们通过 PyObject_GetAttrString 导入了模块中的一个名为 my_function 的 Python 函数。

在准备好调用函数时，我们使用 PyTuple_Pack 函数来准备函数参数。接着，我们使用 PyObject_CallObject 函数调用了 Python 函数，并获取了返回值。

最后，我们在 C 程序中打印出了 Python 函数的返回值，并在程序结束前进行了资源的清理。

需要注意的是，为了能够在 C 语言中调用 Python 函数，我们需要包含 <Python.h> 头文件，并链接 Python 的库。关于如何编译上述示例代码，请参考 Python 的官方文档或其他相关资源。

4. 示例代码运行结果

下面我们将展示一个示例代码的运行结果，以说明 Python 与 C 语言的互相调用。

假设我们有一个 C 语言函数 add_numbers，它可以将两个整数相加。我们希望调用这个 C 函数并打印出结果。

首先，我们需要编写一个名为 example.c 的 C 源码文件：

int add_numbers(int a, int b) {
    return a + b;
}

然后，我们使用以下命令将 C 源码编译为动态链接库：

gcc -shared -o example.so example.c

接下来，我们编写一个 Python 脚本 example.py，用于调用上述的 C 函数：

import ctypes

lib_example = ctypes.CDLL('./example.so')
add_numbers = lib_example.add_numbers
add_numbers.restype = ctypes.c_int
add_numbers.argtypes = [ctypes.c_int, ctypes.c_int]

result = add_numbers(3, 4)
print(result)

最后，我们在命令行中运行这个 Python 脚本：