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1.5 定义Module Initialization Method
1. Python/C API
首先介绍最基本的方式，通过Python/C API来实现。
Python extension module 是Python官方提供Python以外的语言建立且能够让Python调用的module，官方文档地址: docs.python.org/3/extending… ，建议大家在写C扩展程序的时候，都拜读一下。
首先给大家展示一下 Python 版的斐波拉契:
def fib_recursive(n):
if n < 2:
return n
return fib_recursive(n - 1) + fib_recursive(n - 2)
start_ts = time.time()
print(fib_recursive(35))
print(time.time() - start_ts)
# 运行结果:
# 9227465
# 3.8501219749450684
复制代码如果将此程序改为 C 语言程序，命名为 speedup_fib.c，如何进行改写，需要如下步骤:
1.1 引入 Python.h
Python/C API 是C语言里建立 Python extension module 的煤介，必须先引入 Python.h 头文件。
// content of speedup_fib.c
#include <Python.h>
long long _fib(long long n){
if(n < 2)
return n;
else
return _fib(n-1) + _fib(n-2);
};
复制代码引入 Python.h，写一个 C 语言版本的 斐波拉契。
1.2 包装 Function
在 Python 中一切皆对象，对应到C语言中是 PyObject，所以要将原来的function包装一下，让参数和返回值均为 PyObject。
官方提供了三种参数形式:
- (PyObject *self)
- (PyObject *self, PyObject *args)
- (PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwargs)
其中 args 表示 positional arguments， kwargs 是 keyword arguments.
要把 Python 中的这些 arguments 转为 自己定义的 C 语言参数的话，还需要调用几个API，具体可以参考官方文档 docs.python.org/3/c-api/arg… 截图如下。
常用的就是2个。
- int PyArg_ParseTuple(PyObject *args, const char *format, ...)
- int PyArg_ParseTupleAndKeywords(PyObject *args, PyObject *kw, const char *format, char *keywords[], ...)
第一个处理常规带 positional arguments ，第二个处理带 positional arguments 和 keyword arguments.
其中 format 是格式化参数类型，比如长整型或者字符串等，具体参考官方文档: docs.python.org/2.0/ext/par…
因为 斐波拉契 程序没有键值对参数，所以采用第一个函数，且参数需要格式化为长整型，查询文档长整型是 l 表示。
根据上述解释后，最终包装后的程序为:
// content of speedup_fib.c
static PyObject *fib(PyObject *self, PyObject *args) {
long long n; // 定义 参数
long long res; // 定义返回值
// 将参数进行包装，并格式化为长整型l，如果包装失败，则返回NULL.
if (!PyArg_ParseTuple(args, "l", &n))
return NULL;
// 调用C语言版本的斐波拉契，同时传入包装好的参数n
res = _fib(n);
// 将返回值用 Py_BuildValue 包成 PyObject 传给 Python
return Py_BuildValue("l", res);
};
复制代码包装的 斐波拉契 函数定义为fib，最后返回值也需要进行包装，将C语言的返回值打包成 PyObject。
1.3 声明 Module Methods 列表
把 module 的函数进行一一包装后，要建立这个module的method列表，目的就是声明每一个包装函数和C语言函数的对应关系，以及函数是以哪种形式进行传入，格式为:
{name, method, flags, doc}
即 {名称，包装函数，哪种argument形式， 描述}
复制代码flags 的标识可以参考官方文档: docs.python.org/3/c-api/str…
比较多的就是 METH_VARARGS 和 METH_KEYWORDS，分别对应 args 和 keywords。
所以根据上述描述，定义的Module Methods 为:
// content of speedup_fib.c
static PyMethodDef SpeedupFibMethods[] = {
{"speedup_fib", (PyCFunction) fib, METH_VARARGS, "fast fib"},
{NULL, NULL, 0, NULL} // 以 NULL 作结
};
复制代码1.4 定义 Module 的结构
建立了 Module Methods 之后，还需要定义Module的结构，需要这些信息去创建一个 module object。格式为:
{base, name, doc, size, module methods 表}
即 {PyModuleDef_HEAD_INIT, 名字， 描述， 分配内存大小， module 方法列表}
复制代码相关定义可以参考官方文档: docs.python.org/3/c-api/mod…
根据上面描述，定义 Module 结构函数为:
// content of speedup_fib.c
static struct PyModuleDef speedup_fib_module = {
PyModuleDef_HEAD_INIT,
"speedup_fib",
"A module containing methods with faster fib.",
-1, // global state
SpeedupFibMethods
};
复制代码1.5 定义Module Initialization Method
接下来定义 Module Initialization Method，目的是根据module结构信息去创建一个module object，而这个module object就可以供Python调用。
需要注意Module Initialization Method必须以PyInit_开头。
// content of speedup_fib.c
PyMODINIT_FUNC PyInit_speedup_fib() {
return PyModule_Create(&speedup_fib_module);
}
复制代码1.6 建立 Extension Module
上面5步已经把 speedup_fib.c 中的代码部分写完，接下来需要创建一个 setup.py，通过 Distutils 模块将C语言模块创建出来。
# content of setup.py
from distutils.core import setup, Extension
speedup_fib_module = Extension('speedup_fib', sources=['speedup_fib.c'])
setup(
name='SpeedupFib',
description='A package containing modules for speeding up fib.',
ext_modules=[speedup_fib_module],
)
复制代码首先指定哪个 C 程序中的 哪个方法，然后调用 setup 建立扩展文件。
通过以下命令:
python3 setup.py build_ext --inplace
复制代码会在当前文件夹建立一个 speedup_fib.cpython-37m-darwin.so 文件，接下来就可以直接在Python中进行调用。
测试一下:
from speedup_fib import speedup_fib
start_ts = time.time()
print(speedup_fib(35))
print(time.time() - start_ts)
# 运行结果:
# 9227465
# 0.054654836654663086
复制代码对比之前的Python程序，速度快了80倍，如果n更大，速度差距会更大。
2. ctypes
如果觉得第一种方式过于繁琐，接下来介绍 ctypes，ctypes是Python提供的一个libray，可以让Python进入外部的dynamic-link library (DLL) 或 shared library 来调用其中的函数。
这样不再需要关注Python与C相关的API，专注写C函数即可。
2.1 编写C语言版程序
这一步在任何方式中都不能省，首先还是编写C语言版本的程序。
// content of speedup_fib.c
long long fib(long long n){
if(n < 2)
return n;
else
return fib(n-1) + fib(n-2);
};
复制代码是不是很简单，只需要专注写函数，连头文件都不需要。
2.2 建立 Shared Library
这一步需要用到 gcc 工具，如果没有的，需要先安装。
gcc -shared -fPIC speedup_fib.c -o speedup_fib.so
复制代码通过上述命令将 speedup_fib.c 产生一个 speedup_fib.so 文件。
2.3 引入 Library
接下来就简单了，只需要 ctypes 提高的方法，引入 speedup_fib.so 文件，然后就可以进行 Python 运行了。
# content of fib.py
from ctypes import *
func = cdll.LoadLibrary('./speedup_fib.so')
start_ts = time.time()
print(func.fib(35))
print(time.time() - start_ts)
复制代码运行上述 fib.py 文件 得到结果:
9227465
0.06056809425354004
复制代码3. SWIG
SWIG (Simplified Wrapper and Interface Generator) 是更加通用和全面的工具，支持 Python、Perl、Ruby等多种语言.
首先需要先安装 SWIG，如果是 mac 环境 直接 brew install swig即可，window环境参考官网: www.swig.org/Doc3.0/Pref…
3.1 创建C语言程序版本
这一步不可少，但是在swig里需要命令为头文件.h。
// content of speedup_fib.h
long long fib(long long n){
if(n < 2)
return n;
else
return fib(n-1) + fib(n-2);
};
复制代码3.2 建立 Interface File
接下来建立接口文件，也可以说是描述接口的档案，习惯命名为 *.i or *.swg。
接下来定义一个 speedup_fib.i
// content of speedup_fib.i
/* 定义 module名称 */
%module speedup_fib
/*导入定义的 speedup_fib.h*/
%{
#include "speedup_fib.h"
%}
/* 告诉 SWIG 定义的 function 或 variable */
long long fib(long long n);
复制代码上述定义的 speedup_fib.i中，第一步定义Module名称，第二步引入定义的 speedup_fib.h，里面swig会调用里面的函数，第三步是声明函数。
3.3 产生 Wrapper File
通过 SWIG 将 Interface File 生成 extension module 的 speedup_fib.py 和 wrapper file 的 speedup_fib_wrap.c。
命令如下:
swig -python speedup_fib.i
复制代码当前文件夹会多2个文件: speedup_fib.py 和 speedup_fib_wrap.c。
3.4 建立 Shared Library
这一步跟 Python/C API 创建扩展模块，用用 setup.py 和 Distutils 建立 shared library：
# content of setup.py
from distutils.core import setup, Extension
# Extension module name 要有底线前缀
speedup_fib_module = Extension('_speedup_fib', sources=['speedup_fib_wrap.c'])
setup(
name='SpeedupFib',
description='A package containing modules for speeding up performance.',
ext_modules=[speedup_fib_module],
)
复制代码注意 Extension module name 要有底线前缀。
接下来下面命令：
python3 setup.py build_ext --inplace
复制代码会在当前文件夹建立一个 _speedup_fib.cpython-37m-darwin.so 文件，接下来就可以直接在Python中进行调用。
# content of fib.py
from speedup_fib import fib
start_ts = time.time()
print(fib(35))
print(time.time() - start_ts)
复制代码运行 fib.py， 运行结果为:
9227465
0.05449485778808594