用C语言扩展Python的功能
一、简介
Python是一门功能强大的高级脚本语言，它的强大不仅表现在其自身的功能上，而且还表现在其良好的可扩展性上，正因如此，Python已经开始受到越来越多人的青睐，并且被屡屡成功地应用于各类大型软件系统的开发过程中。
与其它普通脚本语言有所不同，Python程序员可以借助Python语言提供的API，使用C或者C++来对Python进行功能性扩展，从而即可以利用Python方便灵活的语法和功能，又可以获得与C或者C++几乎相同的执行性能。执行速度慢是几乎所有脚本语言都具有的共性，也是倍受人们指责的一个重要因素，Python则通过与C语言的有机结合巧妙地解决了这一问题，从而使脚本语言的应用范围得到了很大扩展。
在用Python开发实际软件系统时，很多时候都需要使用C/C++来对Python进行扩展。最常见的情况是目前已经存在一个用C编写的库，需要在Python语言中使用该库的某些功能，此时就可以借助Python提供的扩展功能来实现。此外，由于Python从本质上讲还是一种脚本语言，某些功能用Python实现可能很难满足实际软件系统对执行效率的要求，此时也可以借助Python提供的扩展功能，将这些关键代码段用C或者C++实现，从而提供程序的执行性能。
本文主要介绍Python提供的C语言扩展接口，以及如何使用这些接口和C/C++语言来对Python进行功能性扩展，并辅以具体的实例讲述如何实现Python的功能扩展。
Python是用C语言实现的一种脚本语言，本身具有优良的开放性和可扩展性，并提供了方便灵活的应用程序接口(API)，从而使得C/C++程序员能够在各个级别上对Python解释器的功能进行扩展。在使用C/C++对Python进行功能扩展之前，必须首先掌握Python解释所提供的C语言接口。
2.1 Python对象(PyObject)
Python是一门面向对象的脚本语言，所有的对象在Python解释器中都被表示成PyObject，PyObject结构包含Python对象的所有成员指针，并且对Python对象的类型信息和引用计数进行维护。在进行Python的扩展编程时，一旦要在C或者C++中对Python对象进行处理，就意味着要维护一个PyObject结构。
在Python的C语言扩展接口中，大部分函数都有一个或者多个参数为PyObject指针类型，并且返回值也大都为PyObject指针。
2.2 引用计数
为了简化内存管理，Python通过引用计数机制实现了自动的垃圾回收功能，Python中的每个对象都有一个引用计数，用来计数该对象在不同场所分别被引用了多少次。每当引用一次Python对象，相应的引用计数就增1，每当消毁一次Python对象，则相应的引用就减1，只有当引用计数为零时，才真正从内存中删除Python对象。
下面的例子说明了Python解释器如何利用引用计数来对Pyhon对象进行管理：
- 例1:refcount.py
- class refcount:
- # etc.
- r1 = refcount() # 引用计数为1
- r2 = r1 # 引用计数为2
- del(r1) # 引用计数为1
- del(r2) # 引用计数为0，删除对象
在C/C++中处理Python对象时，对引用计数进行正确的维护是一个关键问题，处理不好将很容易产生内存泄漏。Python的C语言接口提供了一些宏来对引用计数进行维护，最常见的是用Py_INCREF()来增加使Python对象的引用计数增1，用Py_DECREF()来使Python对象的引用计数减1。
2.3 数据类型
Python定义了六种数据类型：整型、浮点型、字符串、元组、列表和字典，在使用C语言对Python进行功能扩展时，首先要了解如何在C和Python的数据类型间进行转化。
2.3.1 整型、浮点型和字符串
在Python的C语言扩展中要用到整型、浮点型和字符串这三种数据类型时相对比较简单，只需要知道如何生成和维护它们就可以了。下面的例子给出了如何在C语言中使用Python的这三种数据类型：
- 例2：typeifs.c
- // build an integer
- PyObject* pInt = Py_BuildValue("i", 2003);
- assert(PyInt_Check(pInt));
- int i = PyInt_AsLong(pInt);
- Py_DECREF(pInt);
- // build a float
- PyObject* pFloat = Py_BuildValue("f", 3.14f);
- assert(PyFloat_Check(pFloat));
- float f = PyFloat_AsDouble(pFloat);
- Py_DECREF(pFloat);
- // build a string
- PyObject* pString = Py_BuildValue("s", "Python");
- assert(PyString_Check(pString);
- int nLen = PyString_Size(pString);
- char* s = PyString_AsString(pString);
- Py_DECREF(pString);
2.3.2 元组
Python语言中的元组是一个长度固定的数组，当Python解释器调用C语言扩展中的方法时，所有非关键字(non-keyword)参数都以元组方式进行传递。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的元组类型：
- 例3：typetuple.c
- // create the tuple
- PyObject* pTuple = PyTuple_New(3);
- assert(PyTuple_Check(pTuple));
- assert(PyTuple_Size(pTuple) == 3);
- // set the item
- PyTuple_SetItem(pTuple, 0, Py_BuildValue("i", 2003));
- PyTuple_SetItem(pTuple, 1, Py_BuildValue("f", 3.14f));
- PyTuple_SetItem(pTuple, 2, Py_BuildValue("s", "Python"));
- // parse tuple items
- int i;
- float f;
- char *s;
- if (!PyArg_ParseTuple(pTuple, "ifs", &i, &f, &s))
- PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "invalid parameter");
- // cleanup
- Py_DECREF(pTuple);
2.3.3 列表
Python语言中的列表是一个长度可变的数组，列表比元组更为灵活，使用列表可以对其存储的Python对象进行随机访问。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的列表类��：
- 例4：typelist.c
- // create the list
- PyObject* pList = PyList_New(3); // new reference
- assert(PyList_Check(pList));
- // set some initial values
- for(int i = 0; i < 3; ++i)
- PyList_SetItem(pList, i, Py_BuildValue("i", i));
- // insert an item
- PyList_Insert(pList, 2, Py_BuildValue("s", "inserted"));
- // append an item
- PyList_Append(pList, Py_BuildValue("s", "appended"));
- // sort the list
- PyList_Sort(pList);
- // reverse the list
- PyList_Reverse(pList);
- // fetch and manipulate a list slice
- PyObject* pSlice = PyList_GetSlice(pList, 2, 4); // new reference
- for(int j = 0; j < PyList_Size(pSlice); ++j) {
- PyObject *pValue = PyList_GetItem(pList, j);
- assert(pValue);
- }
- Py_DECREF(pSlice);
- // cleanup
- Py_DECREF(pList);
2.3.4 字典
Python语言中的字典是一个根据关键字进行访问的数据类型。下面的例子示范了如何在C语言中使用Python的字典类型：
- 例5：typedic.c
- // create the dictionary
- PyObject* pDict = PyDict_New(); // new reference
- assert(PyDict_Check(pDict));
- // add a few named values
- PyDict_SetItemString(pDict, "first",
- Py_BuildValue("i", 2003));
- PyDict_SetItemString(pDict, "second",
- Py_BuildValue("f", 3.14f));
- // enumerate all named values
- PyObject* pKeys = PyDict_Keys(); // new reference
- for(int i = 0; i < PyList_Size(pKeys); ++i) {
- PyObject *pKey = PyList_GetItem(pKeys, i);
- PyObject *pValue = PyDict_GetItem(pDict, pKey);
- assert(pValue);
- }
- Py_DECREF(pKeys);
- // remove a named value
- PyDict_DelItemString(pDict, "second");
- // cleanup
- Py_DECREF(pDict);