gcc -fPIC -shared -msse4.2 great_module.c -o great_module.dll

聊聊Python ctypes 模块

Jerry Jho

Brony

摘要：模块ctypes是Python内建的用于调用动态链接库函数的功能模块，一定程度上可以用于Python与其他语言的混合编程。由于编写动态链接库，使用C/C++是最常见的方式，故ctypes最常用于Python与C/C++混合编程之中。

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1. ctypes 的原理以及优缺点

从ctypes的文档中可以推断，在各个平台上均使用了对应平台动态加载动态链接库的方法，并通过一套类型映射的方式将Python与二进制动态链接库相连接。通过阅读ctypes本身的代码也可以印证这个推断（/Modules/_ctypes/_ctypes.c和/Modules/_ctypes/callproc.c）。在Windows平台下，最终调用的是Windows API中LoadLibrary函数和GetProcAddress函数，在Linux和Mac OS X平台下，最终调用的是Posix标准中的dlopen和dlsym函数。ctypes 实现了一系列的类型转换方法，Python的数据类型会包装或直接推算为C类型，作为函数的调用参数；函数的返回值也经过一系列的包装成为Python类型。也就是说，PyObject* <-> C types的转换是由ctypes内部完成的，这和SWIG是同一个原理。

从ctypes的实现原理不难看出：

ctypes 有以下优点：

• Python内建，不需要单独安装
• 可以直接调用二进制的动态链接库
• 在Python一侧，不需要了解Python内部的工作方式
• 在C/C++一侧，也不需要了解Python内部的工作方式
• 对基本类型的相互映射有良好的支持

ctypes 有以下缺点：

• 平台兼容性差
• 不能够直接调用动态链接库中未经导出的函数或变量
• 对C++的支持差

就个人的经验来看，ctypes 适合于“中轻量级”的Python C/C++混合编程。特别是遇到第三方库提供动态链接库和调用文档，且没有编译器或编译器并不互相兼容的场合下，使用ctypes特别方便。值得注意的是，对于某种需求，在Python本身就可以实现的情况下（例如获取系统时间、读写文件等），应该优先使用Python自身的功能而不要使用操作系统提供的API接口，否则你的程序会丧失跨平台的特性。

2. 一个简单的例子

作为Python文档的一部分，ctypes 提供了完善的文档。但没有Windows API编程经验的初学者读ctypes文档仍然会晕头转向。这里举一个小例子，尽力避开Windows API以及POSIX本身的复杂性，读者只需要了解C语言即可。

在尝试本节例子之前，依然要搭建Python扩展编程环境。见 搭建Python扩展开发环境 - 蛇之魅惑 - 知乎专栏

首先我们写一个C语言的小程序，然后把它编译成动态链接库。

//great_module.c
#include 

#ifdef _MSC_VER
    #define DLL_EXPORT __declspec( dllexport ) 
#else
    #define DLL_EXPORT
#endif

DLL_EXPORT int great_function(unsigned int n) {
    return _mm_popcnt_u32(n);
}

这个源文件中只有一个函数 great_function，它会调用Intel SSE4.2指令集的POPCNT指令（封装在_mm_popcnt_u32中），即计算一个无符号整数的二进制表示中“1”的个数。如果你的电脑是2010年前购买的，那么很可能不支持SSE4.2指令集，你只需要把return这一行改为 return n+1;即可，同样能够说明问题。

调用_mm_popcnt_u32需要包含Intel 指令集头文件nmmintrin.h，它虽然不是标准库的一部分，但是所有主流编译器都支持。

中间还有一坨#ifdef...#else...#endif，这个是给MSVC准备的。因为在MSVC下，动态链接库导出的函数必须加 __declspec( dllexport ) 进行修饰。而gcc（Linux和Mac OS X的默认编译器）下，所有函数默认均导出。

接下来把它编译为动态链接库。Windows下动态链接库的扩展名是dll，Linux下是so，Mac OS X下是dylib。这里为了方便起见，一律将扩展名设定为dll。

Windows MSVC 下编译命令：（启动Visual Studio命令提示）

cl /LD great_module.c /o great_module.dll 

Windows GCC、Linux、Mac OS X下编译命令相同：

gcc -fPIC -shared -msse4.2 great_module.c -o great_module.dll

写一个Python程序测试它，这个Python程序是跨平台的：

from ctypes import *
great_module = cdll.LoadLibrary('./great_module.dll')
print great_module.great_function(13)

整数13是二进制的1101，所以应该输出3