如何利用Boost.Python实现Python C/C++混合编程详解

前言

学习中如果碰到问题，参考官网例子：

d:\boost_1_61_0\libs\python\test

参考：boost.python 中英文文档。

利用boost.python实现python c/c++混合编程

关于python与c++混合编程,事实上有两个部分

• extending 所谓python 程序中调用c/c++代码, 其实是先处理c++代码, 预先生成的动态链接库, 如example.so, 而在python代码中import example;即可使用c/c++的函数 .
• embedding c++代码中调用 python 代码.

两者都可以用 python c 转换api,解决,具体可以去python官方文档查阅,但是都比较繁琐.

对于1,extending,常用的方案是boost.python以及swig.

swig是一种胶水语言,粘合c++,python,我前面的图形显示二叉树的文章中提到的就是利用pyqt作界面,调用c++代码使用swig生成的.so动态库.

而boost.python则直接转换,可以利用py++自动生成需要的wrapper.关于这方面的内容的入门除了boost.python官网,中文的入门资料推荐

下面话不多说了，来一起看看详细的介绍吧

导出函数

#include<string>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;


char const * greet()
{
 return "hello,world";

}

boost_python_module(hello_ext)
{
 def("greet", greet);
}

python:

import hello_ext
print hello_ext.greet()

导出类：

导出默认构造的函数的类

c++

#include<string>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct world
{
 void set(string msg) { this->msg = msg; }
 string greet() { return msg; }

 string msg;
};

boost_python_module(hello) //导出的module 名字
{
 class_<world>("world")
 .def("greet", &world::greet)
 .def("set", &world::set);
}

python:

import hello 
planet = hello.world() # 调用默认构造函数，产生类对象
planet.set("howdy") # 调用对象的方法
print planet.greet() # 调用对象的方法

构造函数的导出：

#include<string>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct world
{
 world(string msg):msg(msg){} //增加构造函数
 world(double a, double b):a(a),b(b) {} //另外一个构造函数
 void set(string msg) { this->msg = msg; }
 string greet() { return msg; }
 double sum_s() { return a + b; }
 string msg;
 double a;
 double b;
};

boost_python_module(hello) //导出的module 名字
{
 class_<world>("world",init<string>()) 
 .def(init<double,double>()) // expose another construct
 .def("greet", &world::greet)
 .def("set", &world::set)
 .def("sum_s", &world::sum_s);
}

python 测试调用：

import hello
planet = hello.world(5,6)
planet2 = hello.world("hollo world")

print planet.sum_s()
print planet2.greet()

如果不想导出任何构造函数，则使用no_init:

class_<abstract>("abstract",no_init)

类的数据成员

#include<string>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;


struct var
{
 var(string name):name(name),value(){}
 string const name;

 float value;
};

boost_python_module(hello_var)
{
 class_<var>("var", init<string>())
 .def_readonly("name", &var::name) //只读
 .def_readwrite("value", &var::value); //读写
}

python调用:

import hello_var

var = hello_var.var("hello_var")
var.value = 3.14
# var.name = 'hello' # error
print var.name

c++类对象导出为python的类对象，注意var.name不能赋值。

类的属性

// 类的属性

#include<string>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;


struct num
{
 num(){}
 float get() const { return val; }
 void set(float val) { this->val = val; }
 float val;

};

boost_python_module(hello_num)
{
 class_<num>("num")
 .add_property("rovalue", &num::get) // 对外：只读
 .add_property("value", &num::get, &num::set);// 对外读写 .value值会改变.rovalue值，存储着同样的数据。

}

python:

import hello_num
num = hello_num.num()
num.value = 10
print num.rovalue # result: 10

继承

// 类的继承

#include<string>
#include<iostream>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct base {
 virtual ~base() {};
 virtual string getname() { return "base"; }

 string str;
};

struct derived : base {

 string getname() { return "derived"; }

};


void b(base *base) { cout << base->getname() << endl; };

void d(derived *derived) { cout << derived->getname() << endl; };

base * factory() { return new derived; }

/*
 下面的额外的代码如果去掉会报错。
 解决地址：http://*.com/questions/38261530/unresolved-external-symbols-since-visual-studio-2015-update-3-boost-python-link/38291152#38291152
*/
namespace boost
{
 template <>
 base const volatile * get_pointer<class base const volatile >(
 class base const volatile *c)
 {
 return c;
 }
}


boost_python_module(hello_derived)
{
 class_<base>("base")
 .def("getname", &base::getname)
 .def_readwrite("str", &base::str);


 class_<derived, bases<base> >("derived")
 .def("getname", &derived::getname)
 .def_readwrite("str", &derived::str);


 def("b", b);
 def("d", d);

 def("factory", factory,
 return_value_policy<manage_new_object>());//

}

python:

import hello_derived
derive = hello_derived.factory()
hello_derived.d(derive)

类的虚函数：

/*
 类的虚函数，实现的功能是：可以编写python类，来继承c++类
*/
#include<boost/python.hpp>

#include<boost/python/wrapper.hpp>
#include<string>
#include<iostream>

using namespace boost::python;
using namespace std;

struct base
{
 virtual ~base() {}
 virtual int f() { return 0; };
};


struct basewrap : base, wrapper<base>
{
 int f()
 {
 if (override f = this->get_override("f"))
  return f(); //如果函数进行重载了，则返回重载的
 return base::f(); //否则返回基类
 }
 int default_f() { return this->base::f(); }
};

boost_python_module(hello_virtual)
{
 class_<basewrap, boost::noncopyable>("base")
 .def("f", &base::f, &basewrap::default_f);


}

python：

import hello_virtual


base = hello_virtual.base()
# 定义派生类，继承c++类
class derived(hello_virtual.base):
 def f(self):
 return 42

derived = derived()


print base.f()

print derived.f()

类的运算符/特殊函数

// 类的运算符/特殊函数

#include<string>
#include<iostream>


// #include<boost/python.hpp> 如果仅包含该头文件，会出错

#include <boost/python/operators.hpp>
#include <boost/python/class.hpp>
#include <boost/python/module.hpp>
#include <boost/python/def.hpp>
#include <boost/operators.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

class filepos
{
public:
 filepos() :len(0) {}
 operator double()const { return len; };//重载类型转换符
 int len;
};

// operator 方法

filepos operator+(filepos pos, int a)
{
 pos.len = pos.len + a;

 return pos; //返回的是副本

}

filepos operator+(int a, filepos pos)
{
 pos.len = pos.len + a;

 return pos; //返回的是副本

}


int operator-(filepos pos1, filepos pos2)
{

 return (pos1.len - pos2.len);

}

filepos operator-(filepos pos, int a)
{
 pos.len = pos.len - a;
 return pos;
}

filepos &operator+=(filepos & pos, int a)
{
 pos.len = pos.len + a;
 return pos;
}

filepos &operator-=(filepos & pos, int a)
{
 pos.len = pos.len - a;
 return pos;
}

bool operator<(filepos pos1, filepos pos2)
{
 if (pos1.len < pos2.len)
 return true;
 return false;
}


//特殊的方法

filepos pow(filepos pos1, filepos pos2)
{
 filepos res;
 res.len = std::pow(pos1.len, pos2.len);
 return res;

}
filepos abs(filepos pos)
{
 filepos res;
 res.len = std::abs(pos.len);

 return res;
}

ostream& operator<<(ostream& out, filepos pos)
{
 out << pos.len;
 return out;
}

boost_python_module(hello_operator)
{
 class_<filepos>("filepos")
 .def_readwrite("len",&filepos::len)
 .def(self + int())
 .def(int() + self)
 .def(self - self)
 .def(self - int())
 .def(self += int())
 .def(self -= other<int>())
 .def(self < self)
 .def(float_(self))//特殊方法 , __float__
 .def(pow(self, other<filepos>())) // __pow__
 .def(abs(self))  // __abs__
 .def(str(self));  // __str__ for ostream


}

注意上面的：.def(pow(self, other<filepos>()))模板后面要加上括号。也要注意头文件的包含，否则会引发错误。

python:

import hello_operator

filepos1 = hello_operator.filepos()
filepos1.len = 10

filepos2 = hello_operator.filepos()
filepos2.len = 20;

print filepos1 - filepos2

函数

函数的调用策略。

// 函数的调用策略

#include<string>
#include<iostream>

#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct x
{
 string str;
};
struct z
{
 int value;
};

struct y
{
 x x;
 z *z;
 int z_value() { return z->value; }
};

x & f(y &y, z*z)
{
 y.z = z;
 return y.x; //因为x是y的数据成员，x的声明周期与y进行了绑定。因为我们的目的是：python接口应尽可能的反映c++接口
}


boost_python_module(hello_call_policy)
{

 class_<y>("y")
 .def_readwrite("x", &y::x)
 .def_readwrite("z", &y::z)
 .def("z_value", &y::z_value);
 class_<x>("x")
 .def_readwrite("str", &x::str);
 class_<z>("z")
 .def_readwrite("value", &z::value);
 // return_internal_reference<1 表示返回的值与第一个参数有关系：即第一个参数是返回对象的拥有者（y和x都是引用的形式)。
 // with_custodian_and_ward<1, 2> 表示第二个参数的生命周期依赖于第一个参数的生命周期。
 def("f", f, return_internal_reference<1, with_custodian_and_ward<1, 2> >());
}

函数重载

// overloading

#include<string>
#include<iostream>

#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct x
{

 bool f(int a)
 {
 return true;
 }
 bool f(int a, double b)
 {
 return true;
 }
 bool f(int a, double b, char c)
 {
 return true;
 }
 int f(int a, int b, int c)
 {
 return a + b + c;
 }
};
bool (x::*fx1)(int) = &x::f;
bool(x::*fx2)(int, double) = &x::f;
bool(x::*fx3)(int, double,char) = &x::f;
int(x::*fx4)(int, int,int) = &x::f;

boost_python_module(hello_overloaded)
{
 class_<x>("x")
 .def("f", fx1)
 .def("f", fx2)
 .def("f", fx3)
 .def("f", fx4);

}

python:

import hello_overloaded

x = hello_overloaded.x() # create a new object


print x.f(1) # default int type
print x.f(2,double(3))
print x.f(4,double(5),chr(6)) # chr(6) convert * to char 
print x.f(7,8,9)

默认参数

普通函数的默认参数：

然而通过上面的方式对重载函数进行封装时，就丢失了默认参数的信息。当然我们可以通过一般形式的封装，如下：

int f(int,double = 3.14,char const * = "hello");
int f1(int x){ return f(x);}
int f2(int x,double y){return f(x,y)}

//int module init
def("f",f); // 所有参数
def("f",f2); //两个参数
def("f",f1); //一个参数

但是通过上面的形式封装很麻烦。我们可以通过宏的形式，为我们批量完成上面的功能。

c++:

// boost_python_function_overloads

#include<string>
#include<iostream>

#include<boost/python.hpp>


using namespace std;
using namespace boost::python;


void foo(int a, char b = 1, unsigned c = 2, double d = 3)
{
 return;
}

boost_python_function_overloads(foo_overloads, foo, 1, 4); // 参数个数的最小为1，最大为4

boost_python_module(hello_overloaded)
{

 def("foo", foo, foo_overloads()); //实现导出带有默认参数的函数

}

python:

import hello_overloaded


hello_overloaded.foo(1)

hello_overloaded.foo(1,chr(2))

hello_overloaded.foo(1,chr(2),3) # 3对应的c++为unsigned int

hello_overloaded.foo(1,chr(2),3,double(4))

成员函数的默认参数：

//使用boost_python_member_function_overloads 宏，完成成员函数默认参数的接口

#include<string>
#include<iostream>

#include<boost/python.hpp>


using namespace std;
using namespace boost::python;

struct george
{
 void wack_em(int a, int b = 0, char c = 'x')
 {
  return;
 }

};


boost_python_member_function_overloads(george_overloads, wack_em, 1, 3); // 参数个数的最小为1，最大为3

boost_python_module(hello_member_overloaded)
{

 class_<george>("george")
  .def("wack_em", &george::wack_em, george_overloads());

}

python:

import hello_member_overloaded

c = hello_member_overloaded.george()

c.wack_em(1)
c.wack_em(1,2)
c.wack_em(1,2,chr(3))

利用init和optional实现构造函数的重载。

使用方法如下：

// init optional

#include<string>
#include<iostream>
#include<boost/python.hpp>

using namespace std;
using namespace boost::python;

struct x
{
 x(int a, char b = 'd', string c = "constructor", double b = 0.0) {}
};

boost_python_module(hello_construct_overloaded)
{
 class_<x>("x")
  .def(init<int, optional<char, string, double> >()); // init 和 optional

}

对象接口

python 是动态类型的语言，c++是静态类型的。python变量可能是：integer,float ,list ,dict,tuple,str,long,等等，还有其他类型。从boost.python和c++的观点来看，python中的变量是类object的实例，在本节，我们看一下如何处理python对象。

基本接口

// init optional

#include<string>
#include<iostream>
#include<boost/python.hpp>
#include <numpy/arrayobject.h>
using namespace std;
using namespace boost::python;

namespace bp = boost::python;


void f(object x)
{
 int y = extract<int>(x); // retrieve an int from x

}

int g(object x)
{
 extract<int> get_int(x);
 if (get_int.check())
  return get_int();
 else
  return 0;
}


int test(object &x)
{
 dict d = extract<dict>(x.attr("__dict__"));
 d["whatever"] = 4;
 return 0;
}

int test2(dict & d)
{
 d["helloworld"] = 3;
 return 0;
}
class a {

public:
 list lst;
 void listoperation(list &lst) {};
};

// 传入np.array数组对象，让c++进行处理
int add_arr_1(object & data_obj, object rows_obj, object cols_obj)
{
 pyarrayobject* data_arr = reinterpret_cast<pyarrayobject*>(data_obj.ptr());
 float * data = static_cast<float *>(pyarray_data(data_arr));
 // using data
 int rows = extract<int>(rows_obj);
 int cols = extract<int>(cols_obj);
 for (int i = 0; i < rows*cols; i++)
 {
  data[i] += 1;
 }
 return 0;

}
boost_python_module(hello_object)
{
 def("test", test);
 def("test2", test2);
 def("add_arr_1", add_arr_1);
}

python 调用：

import hello_object

dic1 = {"whatever":1}

hello_object.test2(dic1)

arr = np.array([1,2,3],dtype = float32)

print arr.dtype

print arr

hello_object.add_arr_1(arr,1,3)

print arr

总结：

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对的支持。