LeoHsiao's Notes

# 简介

# 混合开发

  • 为什么需要混合开发？常见的几种需求如下：

    • 虽然 Python 语言很流行，但某些场景必须使用其它编程语言（比如 Web 网页排版必须使用 HTML 语言）。此时需要混合使用两种编程语言，开发一个程序。
    • 有的软件是用 C/C++ 语言开发的，但程序员想在 Python 脚本中调用这些软件的 API 。
      • 直接的方法是，将这些软件用 Python 语言重写一遍，但工作量太大。
      • 简便的方法是，将这些软件封装为 Python 模块，然后在 Python 代码中调用。
    • Python 属于解释型语言，很多人嫌弃 Python 代码的性能低于 C/C++ 代码，比如运行耗时更久、占用内存更多。
      • 因此，对于 Python 程序中的一些关键环节（比如某个数据结构、某个算法），程序员可以用 C/C++ 代码实现，从而提高性能。
      • 不过，大部分客户对程序的性能要求不高，不必花这么多精力来提升性能。也就金融行业，提高 1% 的性能，就可能增加几百万的利润。
      • 如果想提升 Python 程序的性能，建议先通过火焰图等方式，找到实际上耗时最多、占用内存最多的那部分代码是什么，再针对性优化。比如网络 IO 可能耗时几十秒，用 C/C++ 代码也不能提升性能。

  • 开发一个程序时，一般只使用一种编程语言，如果想混合使用其它语言，怎么办？

    • 可以用其它语言编写另一个程序，编译成可执行文件，供当前程序调用。
    • 可以用其它语言编写另一个程序，运行成为一个独立进程，与当前程序进行网络通信（比如 HTTP 通信），从而协同工作。
    • 可以用其它语言编写一段代码（比如一个函数、一个类），被当前程序调用。本文介绍这种情况。

  • CPython 是基于 C 语言实现的一款 Python 解释器，因此它支持 Python 与 C/C++ 的混合开发。

    • 从 Python 调用 C/C++ 代码，有两种方式：
      • 将 C/C++ 代码编译成 C/C++ 的动态链接库，然后在 Python 代码中调用。
      • 将 C/C++ 代码封装成 Python 的扩展模块，然后在 Python 代码中调用。
    • 从 C/C++ 调用 Python 代码，有两种方式：
      • 将 Python 代码转换成 C/C++ 的动态链接库，然后在 C/C++ 代码中调用。
      • 将 Python 代码转换成 C/C++ 的源文件，然后在 C/C++ 代码中调用。

# 混合开发工具

混合开发工具有多种，选择它们时需要从多方面考虑，比如：

  • 能否从 Python 调用 C/C++ ？或者反之？
  • 能否从 Python 传递一个变量到 C/C++ ？或者反之？
    • 该变量允许采用哪些基本数据类型？
    • 能否自动将 Python 的数据类型，转换成 C/C++ 的数据类型？或者反之？
  • 能否调用函数？
  • 能否调用类？

# CPython API

  • 优点：
    • 它是 CPython 解释器自带的功能，不需要安装第三方库。
    • 它是实现 Python 混合开发的底层 API ，是其它混合开发工具的基础。
    • 它可以将 C/C++ 代码封装成 Python 模块，或者将 Python 代码封装成 C 代码。
  • 缺点：
    • 只提供了底层 API ，直接使用的话很麻烦。

# ctypes

  • 优点：
    • 它是 Python 自带的标准库，不需要安装第三方库。
    • 支持从 Python 加载 C 的动态链接库，直接调用其中的函数。或者将 Python 函数作为回调函数传给 C 函数。
    • 使用时不需要封装 C 代码，可以直接调用 C 的动态链接库。
  • 缺点：
    • 没有封装 C 函数，因此 Python 调用一个 C 函数时需要自己转换数据类型。
    • 只支持 C 语言，因此调用 C++ 代码时，需要先封装成 C 函数。
    • 不支持从 C/C++ 主动调用 Python 代码。

# Cython

  • ：Python 的第三方库，可以将 C 代码封装成 Python 模块，或者将 Python 代码编译成 C 代码。
  • 注意区分：CPython 是一个 Python 解释器，Cython 是一个 Python 库。
  • 优点：
    • 可以在 Python 中调用 C/C++ 的数据类型、函数，实现比纯 Python 代码更高的运行效率。

# SWIG

  • ：一个编译器，可以将 C/C++ 代码封装成供 C#、Java、Python 等多种语言调用的文件。
  • 缺点：
    • 不支持从 C/C++ 主动调用 Python 。

# Boost.Python

  • ：一个 C++ 库，可以将 C++ 代码封装成 Python 模块，或者在 C++ 中导入 Python 模块。
  • Boost 库的使用很广，提供了一些扩展功能的 C++ 库，近乎 C++ 的标准库。

# pybind11

  • ：一个 C++ 库，相当于轻量级的 Boost.Python 。
  • 优点：
    • 比较简单，使用时只需要导入一个头文件。但功能完备。
    • 对 C/C++ 代码的封装比较完善，能加上模块说明、函数说明。