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Python CFFI詳解

來源:千鋒教育
發布人:xqq
時間: 2023-11-22 23:12:47 1700665967

一、CFFI的基本概念

CFFI是一個Python外部函數接口庫,它允許Python代碼直接訪問和調用外部函數(通常是C函數),從而實現與C語言的混合編程。CFFI提供了一種簡單而靈活的方式,通過閱讀C頭文件來生成相應的Python接口代碼,或者手動編寫Python接口代碼。在生成代碼后,CFFI可以自動構建C擴展模塊,以便Python代碼能夠直接與該C模塊進行交互。

一般來說,使用CFFI需要了解一些基本概念:

1. 外部函數(Extern Function):指的是在C語言中聲明和實現的函數,Python代碼可以通過CFFI調用這些外部函數。


#include 

void hello_world() {
    printf("Hello, world!\n");
}

2. CFFI模塊(CFFI Module):指的是使用CFFI生成的Python模塊,該模塊包含了Python代碼調用外部函數所需的所有接口信息。同時,CFFI模塊還能在Python中進行動態加載或靜態生成。

3. CFFI接口(CFFI Interface):指的是Python與C之間進行交互所需的各種代碼定義,包括函數聲明、類型定義、枚舉常量、結構體等。CFFI通過接口實現Python與C語言之間的無縫銜接。

二、CFFI的使用方法

下面我們將通過簡單的示例介紹CFFI的使用方法。

1. 安裝CFFI

可以使用pip命令來安裝CFFI:


pip install cffi

2. 生成CFFI接口

使用CFFI生成接口可以有兩種方式:自動和手動。CFFI提供了從C頭文件自動生成接口代碼的方法,也支持手動編寫接口代碼。下面是自動生成接口的示例:

首先,我們在本地創建一個名為example.h的頭文件:


int add(int x, int y);

然后,在Python代碼中使用CFFI庫來讀取該頭文件并生成Python接口:


import cffi

# 讀取header文件
with open("example.h") as f:
    header = f.read()

ffi = cffi.FFI()

# 解析header文件并生成Python接口
ffi.cdef(header)

# 包裝動態鏈接庫
lib = ffi.dlopen("libexample.so")

解釋一下上面的代碼,ffi.cdef用于解析頭文件,并生成等效的Python接口。一旦生成接口,Python代碼就可以直接訪問C語言的函數、結構體等。最后一行代碼用于加載名為libexample.so的共享庫文件(Linux)。Windows上的CFFI初始化方式與Linux上有所不同。

3. 使用CFFI調用外部函數

我們已經成功生成了Python與外部函數交互所需的接口,現在可以開始調用外部函數了。下面是一個簡單的示例,我們調用名為add的外部函數來計算兩個整數x和y之和:


result = lib.add(1, 2)
print(result)

在這里我們使用了已經加載的libexample.so模塊中的add函數,并將輸入參數1和2傳遞給它,從而得到了計算結果3。

三、CFFI的高級用法

除了上述基本功能外,CFFI還提供了很多高級用法,例如結構體、回調、常量的定義等。

1. 結構體

在C語言中,結構體(Struct)是一種常用類型,可以用于保存多個不同類型的數據。在Python中,CFFI提供了類似于C的結構體定義方式,可以直接將C語言中的結構體定義轉換為Python的結構體:


# C結構體定義
typedef struct {
    int x;
    int y;
} Point;

# Python結構體定義
ffi.cdef("""
    typedef struct {
        int x;
        int y;
    } Point;
""")

point = ffi.new("Point*")
point.x = 1
point.y = 2

在這個例子中,我們定義了一個名為Point的C結構體,它包含了兩個整型成員變量x和y。在Python代碼中,我們使用CFFI的ffi.new方法來創建一個名為point的Point結構體,然后將x和y值賦值為1和2。

2. 回調函數

在C語言中,回調函數(Callback)是一種常見的功能,它允許將一個函數作為參數傳遞給另一個函數,并在后者中進行調用。在Python中,CFFI提供了一個類似的功能,使用ffi.callback函數可以將Python函數封裝成回調函數并傳遞給C語言代碼。


# C回調函數定義
typedef void (*CallbackFunc)(int);

# Python回調函數定義
def callback_func(value):
    print("Callback function is called with value: %d" % value)

callback = ffi.callback("void(*)(int)", callback_func)
lib.register_callback(callback)

在這個例子中,我們首先在C語言中定義了一個接收一個整型參數的回調函數類型CallbackFunc。在Python代碼中,我們使用了ffi.callback方法將一個Python函數callback_func封裝成CallbackFunc類型,并將它注冊到名為lib的C模塊中。在C模塊中,我們可以使用注冊的回調函數:調用函數lib.call_callback(123),會自動調用封裝好的Python回調函數。

3. 常量定義

在C語言中,常量可以通過宏定義或者枚舉來定義,例如:


#define PI 3.1415926

enum {
    STATUS_OK = 0,
    STATUS_ERROR = -1,
};

在Python中,CFFI提供了類似于C語言的常量定義方法:


ffi.cdef("""
    #define PI 3.1415926

    enum {
        STATUS_OK = 0,
        STATUS_ERROR = -1,
    };
""")

在這個例子中,我們在Python的CFFI接口中定義了兩個常量:PI和STATUS_OK。它們的值與C語言中的定義完全一致,Python代碼中可以直接使用它們。

四、總結

本文介紹了CFFI的基本概念、使用方法以及高級用法,并通過具體的示例來演示了它的實現過程。CFFI是一個非常好的Python外部函數接口庫,使用它可以輕松實現Python與C語言之間的混合編程,同時還可以通過高級用法實現結構體、回調等功能。

tags: pythonimshow
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