Python 外部函数调用库ctypes简介

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参考资料

• https://docs.Python.org/2.7/library/ctypes.html
• http://www.linuxidc.com/Linux/2016-12/137761.htm

ctypes简介

一直对不同语言间的交互感兴趣，python和C语言又深有渊源，所以对python和c语言交互产生了兴趣。
最近了解了python提供的一个外部函数库 ctypes, 它提供了C语言兼容的几种数据类型，并且可以允许调用C编译好的库。
这里是阅读相关资料的一个记录，内容大部分来自官方文档。

数据类型

ctypes 提供了一些原始的C语言兼容的数据类型，参见下表,其中第一列是在ctypes库中定义的变量类型，第二列是C语言定义的变量类型，第三列是Python语言在不使用ctypes时定义的变量类型。

| ctypes type  | C type                                 | Python type                |
|--------------+----------------------------------------+----------------------------|
| c_bool       | _Bool                                  | bool (1)                   |
| c_char       | char                                   | 1-character string         |
| c_wchar      | wchar_t                                | 1-character unicode string |
| c_byte       | char                                   | int/long                   |
| c_ubyte      | unsigned char                          | int/long                   |
| c_short      | short                                  | int/long                   |
| c_ushort     | unsigned short                         | int/long                   |
| c_int        | int                                    | int/long                   |
| c_uint       | unsigned int                           | int/long                   |
| c_long       | long                                   | int/long                   |
| c_ulong      | unsigned long                          | int/long                   |
| c_longlong   | __int64 or long long                   | int/long                   |
| c_ulonglong  | unsigned __int64 or unsigned long long | int/long                   |
| c_float      | float                                  | float                      |
| c_double     | double                                 | float                      |
| c_longdouble | long double                            | float                      |
| c_char_p     | char * (NUL terminated)                | string or None             |
| c_wchar_p    | wchar_t * (NUL terminated)             | unicode or None            |
| c_void_p     | void *                                 | int/long or None           |

创建简单的ctypes类型如下:

>>> c_int()
c_long(0)
>>> c_char_p("Hello, World")
c_char_p('Hello, World')
>>> c_ushort(-3)
c_ushort(65533)
>>>

使用 .value 访问和改变值:

>>> i = c_int(42)
>>> print i
c_long(42)
>>> print i.value
42
>>> i.value = -99
>>> print i.value
-99
>>>

改变指针类型的变量值:

>>> s = "Hello, World"
>>> c_s = c_char_p(s)
>>> print c_s
c_char_p('Hello, World')
>>> c_s.value = "Hi, there"
>>> print c_s
c_char_p('Hi, there')
>>> print s                 # 一开始赋值的字符串并不会改变， 因为这里指针的实例改变的是指向的内存地址，不是直接改变内存里的内容
Hello, World
>>>

如果需要直接操作内存地址的数据类型：

>>> from ctypes import *
>>> p = create_string_buffer(3)      # create a 3 byte buffer, initialized to NUL bytes
>>> print sizeof(p), repr(p.raw)
3 '\x00\x00\x00'
>>> p = create_string_buffer("Hello")      # create a buffer containing a NUL terminated string
>>> print sizeof(p), repr(p.raw)          # .raw 访问内存里存储的内容
6 'Hello\x00'
>>> print repr(p.value)                   # .value 访问值
'Hello'
>>> p = create_string_buffer("Hello", 10)  # create a 10 byte buffer
>>> print sizeof(p), repr(p.raw)
10 'Hello\x00\x00\x00\x00\x00'
>>> p.value = "Hi"
>>> print sizeof(p), repr(p.raw)
10 'Hi\x00lo\x00\x00\x00\x00\x00'
>>>

下面的例子演示了使用C的数组和结构体:

>>> class POINT(Structure):                 # 定义一个结构，内含两个成员变量 x，y，均为 int 型
...     _fields_ = [("x", c_int),
...                 ("y", c_int)]
...
>>> point = POINT(2,5)                            # 定义一个 POINT 类型的变量，初始值为 x=2, y=5
>>> print point.x, point.y                     # 打印变量
2 5
>>> point = POINT(y=5)                                  # 重新定义一个 POINT 类型变量，x 取默认值
>>> print point.x, point.y                     # 打印变量
0 5
>>> POINT_ARRAY = POINT * 3                    # 定义 POINT_ARRAY 为 POINT 的数组类型
# 定义一个 POINT 数组，内含三个 POINT 变量
>>> pa = POINT_ARRAY(POINT(7, 7), POINT(8, 8), POINT(9, 9))
>>> for p in pa: print p.x, p.y                # 打印 POINT 数组中每个成员的值
...
7 7
8 8
9 9

创建指针实例

>>> from ctypes import *
>>> i = c_int(42)
>>> pi = pointer(i)
>>>

>>> pi.contents
c_long(42)
>>>

使用cast()类型转换

>>> class Bar(Structure):
...     _fields_ = [("count", c_int), ("values", POINTER(c_int))]
...
>>> bar = Bar()
>>> bar.values = (c_int * 3)(1, 2, 3)
>>> bar.count = 3
>>> for i in range(bar.count):
...     print bar.values[i]
...
1
2
3
>>>


>>> bar = Bar()
>>> bar.values = cast((c_byte * 4)(), POINTER(c_int))   # 这里转成需要的类型
>>> print bar.values[0]
0
>>>

类似于C语言定义函数时，会先定义返回类型，然后具体实现再定义，当遇到下面这种情况时，也需要这么干:

>>> class cell(Structure):
...     _fields_ = [("name", c_char_p),
...                 ("next", POINTER(cell))]
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in ?
  File "<stdin>", line 2, in cell
NameError: name 'cell' is not defined
>>>

# 不能调用自己，所以得像下面这样
>>> from ctypes import *
>>> class cell(Structure):
...     pass
...
>>> cell._fields_ = [("name", c_char_p),
...                  ("next", POINTER(cell))]
>>>

调用.so/.dll

可以简单地将"so"和"dll"理解成Linux和windows上动态链接库的指代，这里我们以Linux为例。注意，ctypes提供的接口会在不同系统上有出入，比如为了加载动态链接库， 在Linux上提供的是 cdll, 而在Windows上提供的是 windll 和 oledll 。

加载动态链接库

from ctypes import *
>>> cdll.LoadLibrary("libc.so.6")
<CDLL 'libc.so.6', handle ... at ...>
>>> libc = CDLL("libc.so.6")
>>> libc
<CDLL 'libc.so.6', handle ... at ...>
>>>

调用加载的函数

>>> print libc.time(None)
1150640792
>>> print hex(windll.kernel32.GetModuleHandleA(None))
0x1d000000
>>>

设置个性化参数

ctypes会寻找 _as_paramter_ 属性来用作调用函数的参数传入，这样就可以传入自己定义的类作为参数，示例如下:

>>> class Bottles(object):
...     def __init__(self, number):
...         self._as_parameter_ = number
...
>>> bottles = Bottles(42)
>>> printf("%d bottles of beer\n", bottles)
42 bottles of beer
19
>>>

指定函数需要参数类型和返回类型

用 argtypes 和 restype 来指定调用的函数返回类型。

>>> printf.argtypes = [c_char_p, c_char_p, c_int, c_double]
>>> printf("String '%s', Int %d, Double %f\n", "Hi", 10, 2.2)
String 'Hi', Int 10, Double 2.200000
37
>>>



>>> strchr = libc.strchr
>>> strchr("abcdef", ord("d"))
8059983
>>> strchr.restype = c_char_p   # c_char_p is a pointer to a string
>>> strchr("abcdef", ord("d"))
'def'
>>> print strchr("abcdef", ord("x"))
None
>>>

这里我只是列出了 ctypes 最基础的部分，还有很多细节请参考官方文档。