如何用C代码给Python写扩展库(Cython)

脚本专栏 2024/11/6 佚名

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之前一篇文章里提到了利用Cython来编译Python，这次来讲一下如何用Cython给Python写扩展库。

两种语言混合编程，其中最重要的是类型的传递。

我们用一个简单的例子进行入门：这次的目标是用C语言写一个Numpy的加法和元素相乘模块。在本例中，Numpy的array被传入到C语言模块内，变成了二维数组。

1. 头文件main.h：

#ifndef _MAIN_H
#define _MAIN_H
void plus(double *a, double *b, double *r, int n, int m); // 矩阵加法
void mul(double *a, double *b, double *r, int n, int m); // 矩阵按元素相乘
void main(double *a, double *b, double *r, int n, int m, int times); // 用于测试的main函数
#endif

2. 把主要代码写在main.c中：

#include "main.h"
 
/***********************************
* 矩阵的加法
* 利用数组是顺序存储的特性, *
* 通过降维来访问二维数组! *
* r
***********************************/
void plus(double *a, double *b, double *r, int n, int m)
{
  int i, j;
  for(i = 0; i < n; i++)
  {
    for(j = 0; j < m; j++)
      *(r + i*m + j) = *(a + i*m + j) + *(b + i*m + j);
  }
}
 
/***********************************
* 矩阵的按元素乘法
* 利用数组是顺序存储的特性, *
* 通过降维来访问二维数组! *
* r
***********************************/
void mul(double *a, double *b, double *r, int n, int m)
{
  int i, j;
  for(i = 0; i < n; i++)
  {
    for(j = 0; j < m; j++)
      *(r + i*m + j) = *(a + i*m + j) * *(b + i*m + j);
  }
}
 
/***********************************
* main函数
* 利用数组是顺序存储的特性, *
* 通过降维来访问二维数组! *
* r
***********************************/
void main(double *a, double *b, double *r, int n, int m, int times)
{
  int i;
  // 循环times次
#pragma omp parallel for
  for (i = 0; i < times; i++)
  {
    // 矩阵的加法
    plus(a, b, r, n, m);
    
    // 矩阵按元素相乘
    mul(a, b, r, n, m);
  }
}

这个main.c中实现了矩阵的加法、矩阵按元素相乘的功能，用到的数据结构是二维数组，但是因为C语言中给函数传递二维数组比较麻烦，这里用降维的方法实现。另外在main()函数中，采用一个循环来进行测试，以测试性能。

3. 下面编写test.pyx文件来调用上述C函数（注意，后缀是.pyx噢）：详细的知识点在注释中写出来了~

# 既要import numpy, 也要用cimport numpy
import time
import numpy as np
cimport numpy as np
 
# 使用Numpy-C-API
np.import_array()
 
# cdefine C 函数
cdef extern from "main.h":
  void plus(double *a, double *b, double *r, int n, int m)
  void mul(double *a, double *b, double *r, int n, int m)
  void main(double *a, double *b, double *r, int n, int m, int times)
 
"""
# 定义一个"包装函数", 用于调用C语言的main函数，调用范例：plus_fun(a, b, r)
# 在这里要注意函数传入的参数的类型声明，double表示数组的元素是double类型的，
# ndim = 2表示数组的维度是2
# 在调用main函数时，要把python的变量强制转化成相应的类型（以确保无误），比如<int>
# 当然，基本类型如int，可以不显式地写出来，如下面的a.shape[0]、a.shape[1]
"""
def main_func(np.ndarray[double, ndim=2, mode="c"] a not None,
           np.ndarray[double, ndim=2, mode="c"] b not None, 
           np.ndarray[double, ndim=2, mode="c"] r not None,
           times not None):
  main(<double*> np.PyArray_DATA(a),
        <double*> np.PyArray_DATA(b),
        <double*> np.PyArray_DATA(r),
        a.shape[0],
        a.shape[1],
        <int> times)

4. 为了用Cython编译上述代码，我们创建一个setup.py文件：

import numpy
from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension
from Cython.Distutils import build_ext
 
filename = 'test' # 源文件名
full_filename = 'test.pyx' # 包含后缀的源文件名
 
setup(
  name = 'test',
  cmdclass = {'build_ext': build_ext},
  ext_modules=[Extension(filename,sources=[full_filename, "main.c"],
         include_dirs=[numpy.get_include()])],
)

5. 上述的main.h、main.c、test.pyx一定要放在同一个文件夹下。此时在该文件夹下按住shift键，然后右击鼠标，打开cmd或PowerShell控制台，在控制台中运行以下命令进行Cython编译：

python setup.py build_ext --i

或者：

python setup.py build_ext --inplace

编译成功的图例：

此时在同目录下会生成“test.cp36-win_amd64.pyd”的二进制码文件，它是闭源的，但是可以直接用python来import。下面编写测试代码main.py来进行测试：

import test
import time
import numpy as np
 
start_time = time.time()
a = np.random.rand(100, 100) * 2 - 1 # 生成300*300的随即矩阵
b = np.random.rand(100, 100) * 2 - 1
r = np.empty_like(a) # 创建一个空矩阵，用来存储计算结果
test.main_func(a, b, r, 500000) # 调用main_func进行测试
end_time = time.time()
print(end_time - start_time) # 输出时间
print(r) # 输出运行结果

执行结果：