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  • Python与c/c++混合编程

    万次阅读 2019-03-28 18:35:26
    Python时现在很火的一种语言,在云计算、人工智能、自动化测试等领域使用率非常高。之所以有这么大的市场使用率,python也是有它自己的独特之处,首先python易学,并且是一种解释性语言,不需要经过编译,并且它有着...

           Python时现在很火的一种语言,在云计算、人工智能、自动化测试等领域使用率非常高。之所以有这么大的市场使用率,python也是有它自己的独特之处,首先python易学,并且是一种解释性语言,不需要经过编译,并且它有着非常丰富的第三方库,可以帮助你处理各种工作,包括:电子邮件、数据库、web、GUI、单元测试等。Python采用强制缩进的方式使得代码有着极佳的可读性。

           但python也有自己的缺点:就是运行速度,如果有速度要求的话,建议用c或c++改写关键部分,可以提高运行速度。

           这样就会牵涉到混合编程的模式,即python如何调用使用c或c++实现的接口。

           本文的主要目的就是介绍python与c/c++如何实现混合编程。

     

    环境:

          Python3.5    vim     ctypes      swig3.0.8     centos

    ctypes:

    python 可以通过使用 ctypes 模块调用 c 函数,这其中必定包括可以定义 c 的变量类型(包括结构体类型、指针类型)。

    官方给的定义是 “ctypes is a foreign function library for Python. It provides C compatible data types, and allows calling functions in DLLs or shared libraries. It can be used to wrap these libraries in pure Python.” —— 引自 Python 3.5 chm 文档。其大意就是——ctypes 是一个为 Python 准备的外部函数库。它提供兼容C的数据类型,并允许调用DLL或共享库中的函数。通过它,可以使用纯粹的 Python 包装这些函数库(这样你就可以直接 import xxx 来使用这些函数库了)。

    具体实例可以参考:

    https://github.com/zhaohb/python-call-C-API lib目录

    python时如何通过ctype调用c的接口:

    首先需要加载由c代码编译生成的动态库,得到代表动态库的对象,然后通过该对象调用库中的接口,具体代码:

      

    通过上述代码可以看到具体ctype的用法,python中定义的plus接口就是通过调用c语言实现的plus接口实现的。

    c类型与Python类型:参数类型、返回类型:

    C语言的类型与python的数据类型时不一样的,但是ctypes可以实现C语言类型与python类型的透明转换。

    在上述实例中其实有一个取巧的地方:就是利用了python默认函数的参数类型和返回类型都是int型,而C语言中plus接口的参数和返回值类型也都是int型,这样就不用显示的告诉python这个lib库中的函数的参数和返回值类型,如果C语言中plus的参数和返回值类型时float类型,这时候就需要显示的指定,通过函数的两个属性restype和argtypes赋值了:

    lib.plus.argtypes = (c_float, c_float) # plus 有两个形参,都是 float 类型

    lib.plus.restype = c_float # plus 返回值的类型是 flaot

    然后再按之前的方式调用:

        lib.plus.(1,2)    

           

           这里还有一个特殊情况,就是返回值或者参数时结构体的情况,在python中是没有结构体的概念的,但是为了能在python中表示一个结构体,我们可以在python中定义一个类,用来表示C语言中的结构体类型:

           

    该图中展示的时C语言中对StructTest结构体的定义:

       

    该图中展示的是在python中如何表示StructTest结构体,两个要点:

      1.类必须继承自ctypes.Structure

      2.描述结构体成员时需要在类中顶一个一个_fields_的属性,并赋值给表示成员的一个列表。

    这样就可以正常使用StructTest结构体了:

           

    指针类型:

    主要有三个与指针相关的ctypes函数:

        

        pointer 和 POINTER 的区别是,pointer 返回一个实例,POINTER 返回一个类型具体的使用可以参考setinfo接口。

    Swig:

    Swig是另外一种把c/c+代码家口给python或其他语言调用的工具,SWIG本质上是个代码生成器,为C/C++程序生成到其他语言的包装代码(wrapper code),这些包装代码里会利用各语言提供的C API,将C/C++程序中的内容暴露给相应语言。为了生成这些包装代码,SWIG需要一个接口描述文件,描述将什么样的接口暴露给其他语言。SWIG的 接口描述文件可以包含以下内容:1)ANSI C函数原型声明 2)ANSI C变量声明 3) SWIG指示器(directive)相关内容。SWIG可以直接接受”.h”头文件做为接口描述文件。在有了接口描述文件后,就可以利用swig命令生 成包装代码了,然后将包装代码编译链接成可被其他语言调用的库。

    SWIG包含以下几部分内容:

    1.一个代码生成器(swig):代码生成器根据接口说明文件,生成相应的包装代码。

    2.一个库:SWIG将常用的内容放到SWIG库里了,比如对数组、指针的支持,字符串支持,STL支持等。可以在接口文件中直接引用库里的内容,大大方便接口文件的编写。

    具体实例可以参考:

    https://github.com/zhaohb/python-call-C-API swig目录

       swig通过解析C头文件并自动创建扩展代码来操作,要使用swig首先需要一个c有文件,有了头文件下一步就是编写一个swig的接口文件,按照约定,这些文件以“*.i”作为后缀一旦写好了接口文件,就可以在命令行中调用swig了:

    通过上述三条命令会在当前目录下生成一个so文件,该文件可以被python直接引用,就可以直接使用里面的接口了。

    对比:

    ctypes不需要程序员熟悉C/C++语言,不需要安装一个C/C++的编译器,它通过操作系统的接口直接操作C/C++代码。而且ctypes是标准库的一部分,只要安装了Python就可以直接使用。这几个原因使得它深受Python程序员的喜爱;而它的劣势就是对c++支持不好。

    使用SWIG,通过编写一个接口文件,使用类似于C/C++语法——声明函数、类型的信息,然后使用特殊的工具为C/C++的代码生成Python的接口代码。这些接口代码能够在Python与C/C++之间的数据结构转换。最终编译这些接口代码,成为Python的二进制模块。SWIG的接口文件与C/C++的头文件非常相似。SWIG能够为多种脚本语言生成转换代码。

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  • MATLAB 生成 dll 前的工作 1、配置MATLAB环境 控制面板->所有控制面板项->系统->高级系统设置-&...Path一栏,后面追加:C:\ProgramFiles\MATLAB\R2016b\bin\win64 (32位为win32) ...

    MATLAB 生成 dll 前的工作

    1、配置MATLAB环境

    控制面板->所有控制面板项->系统->高级系统设置->高级->环境变量

    Path一栏,后面追加:C:\ProgramFiles\MATLAB\R2016b\bin\win64      (32位为win32)

    更改环境变量后,请重启电脑,否则VS将出现:LINK : fatal error LNK1104: 无法打开文件“libeng.lib”

    2、配置MATLAB中的C++编译器

    在这里需要安装一个Patch,否则无法使用

    详细原因参考:win10系统使用vs2017 community作为matlab2016b编译器

    https://blog.csdn.net/liuyingying0418/article/details/79767572
    

     

    然后使用mex -setup 设置matlab的默认编译器,如果要生成C++语言的dll,点击mex -setup C++

    详细请参考链接:C/C++ VS中调用matlab函数的方法  (版本不同,操作类似)

    http://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/73743654

     

    3、使用matlab生成dll

    有两种方法,一种直接使用指令,一种是使用matlab的附加功能app

    使用指令生成dll

    如:mcc -W cpplib:TestMat64 -T link:lib Test

    对应生成如下文件:

    这里我们只关心 TestMat64.dll  TestMat64.h  TestMat64.lib三个文件

    详细参考链接:VS2015调用Matlab编译生成的DLL 编译环境设置 [吐血整理]

    https://blog.csdn.net/weixin_41760829/article/details/79389685

    使用matlab的附加功能app

    这种方法跟生成exe类似,傻瓜式操作

    官方参考链接 :Create a C++ Shared Library with MATLAB Code

    https://ww2.mathworks.cn/help/compiler_sdk/gs/create-a-cc-application-with-matlab-code.html

     

    若生成操作报错(引发的异常0xC0000005:读取位置发生访问冲突)

    出现这个问题的主要原因就是你Matlab文件夹下的某个工具箱访问出错,也就是你装了一个工具箱到Matlab ,并且这个工具箱会会在matlab运行的时候直接启动,这样直接导致matlab生成的dll文件中也包含了这个文件,所以直接去matlab的 安装目录下找到toolbox\local 路径删除里面的 startup.m文件,然后在重新用matlab生成一下dll文件就可以了。

    详细参考链接:Matlab2016 与vs2015 混编(生成dll动态链接库) 排除编译出错

    https://blog.csdn.net/qq_37469992/article/details/77575049

     

    MATLAB 生成 dll 后的工作

    1、配置VS2017

    添加include路径:C:\Program Files\MATLAB\R2016b\extern\include

    添加lib路径:C:\Program Files\MATLAB\R2016b\extern\lib\win64\microsoft

    添加附加lib(附加依赖项):linker->input 追加

    xxxx.lib; libmx.lib; libmat.lib; mclmcr.lib;mclmcrrt.lib;   可以只添加最后两个

    xxxx.lib是自己的M文件mcc生成的,使用#pragma comment(lib,"xxxx.lib")在主cpp文件中添加

    以上根据自己的路径修改

    库文件不能少,否则可以看到熟悉的编译报错:error LNK2019: 无法解析的外部符号

    2、函数使用

    关于mwArray类的使用

    mwArray类作为函数体的输入输出变量,扮演很重要的角色,在使用函数之前,务必把mwArray查清楚

    https://ww2.mathworks.cn/help/compiler_sdk/cxx/mwarray.html?searchHighlight=mwArray&s_tid=doc_srchtitle

     // Create input data
     double data[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
     mwArray in1(3, 3, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
     mwArray in2(3, 3, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
     in1.SetData(data, 9);
     in2.SetData(data, 9);

    mxArray 和 mwArray 的区别

    https://blog.csdn.net/crystal_avast/article/details/7064796

    函数调用过程

    程序调用dll中的函数前,必须先调用xxxInitialize()这个函数,xxx指的是函数名称。程序结束时,要调用xxxTerminate()

    其用于加载和卸载需要用到的dll,最后有一个判断,如

        if( !libmatrixInitialize() )
        {
            std::cerr << "Could not initialize the library properly"
                       << std::endl;
            return -1;
        }

    编译运行

    如果64位MATLAB生成的dll,那么VS编译目标平台也应该是x64,否则出错。

    当然64位MATLAB,也可编译生成32位的dll,可以参考(不建议使用)

    Build 32-bit DLL on 64-bit Windows® Platform Using MSVC Toolchain

    https://ww2.mathworks.cn/help/coder/ug/build-32-bit-dll-on-64-bit-windows(r)-platform-using-msvc-toolchain.html?searchHighlight=dll&s_tid=doc_srchtitle

    官方示例:

    https://ww2.mathworks.cn/help/compiler_sdk/cxx/integrate-a-cc-legacy-shared-library-into-an-application.html

    /*==============================================================
     *
     * MATRIXDRIVER.CPP
     * Sample driver code that calls a C++ shared library created using
     * the MATLAB Compiler SDK. Refer to the MATLAB Compiler SDK
     * documentation for more information.
     *
     * Copyright 1984-2016 The MathWorks, Inc.
     *
     *============================================================*/
    
    // Include the library specific header file as generated by the 
    // MATLAB Compiler SDK
    #include "libmatrix.h"
    
    int run_main(int argc, const char **argv)
    {
        if( !libmatrixInitialize() )
        {
            std::cerr << "Could not initialize the library properly"
                       << std::endl;
            return -1;
        }
        else
        {
            try
            {
                // Create input data
                double data[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9};
                mwArray in1(3, 3, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
                mwArray in2(3, 3, mxDOUBLE_CLASS, mxREAL);
                in1.SetData(data, 9);
                in2.SetData(data, 9);
                
                // Create output array
                mwArray out;
                
                // Call the library function
                addmatrix(1, out, in1, in2);
                
                // Display the return value of the library function
                std::cout << "The value of the sum is:" << std::endl;
                std::cout << out << std::endl;
                
                multiplymatrix(1, out, in1, in2);
                std::cout << "The value of the product is:" 
                          << std::endl;
                std::cout << out << std::endl;
                
                eigmatrix(1, out, in1);
                std::cout << "The eigenvalues of the first matrix are:"
                          << std::endl;
                std::cout << out << std::endl;
            }
            catch (const mwException& e)
            {
                std::cerr << e.what() << std::endl;
                return -2;
            }
            catch (...)
            {
                std::cerr << "Unexpected error thrown" << std::endl;
                return -3;
            }     
            // Call the application and library termination routine
            libmatrixTerminate();
        }
        // mclTerminateApplication shuts down the MATLAB Runtime.
        // You cannot restart it by calling mclInitializeApplication.
        // Call mclTerminateApplication once and only once in your application.
        mclTerminateApplication();
        return 0;
    }
    
    // The main routine. On the Mac, the main thread runs the system code, and
    // user code must be processed by a secondary thread. On other platforms, 
    // the main thread runs both the system code and the user code.
    int main(int argc, const char **argv)
    {
        // Call application and library initialization. Perform this 
        // initialization before calling any API functions or
        // Compiler SDK-generated libraries.
        if (!mclInitializeApplication(nullptr, 0)) 
        {
            std::cerr << "Could not initialize the application properly"
                      << std::endl;
            return -1;
        }
    
        return mclRunMain(static_cast<mclMainFcnType>(run_main), argc, argv);
    }

     

    其他混编方法

    调用matlab引擎

    C/C++ VS中调用matlab函数的方法

    https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/73743654

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  • 实现C#和Python高效率混合编程

    万次阅读 2018-10-13 14:07:50
    为什么C#和Python要屡屡进行混合编程呢?之前我们提到了使用托管C++封装Python的核心库为一个托管dll,然后供C#调用的途径,这种方式算是一种比较科学的方式。但是它仍然有两个小的问题,一来,我们是封装了Win平台...

    为什么C#和Python要屡屡进行混合编程呢?之前我们提到了使用托管C++封装Python的核心库为一个托管dll,然后供C#调用的途径,这种方式算是一种比较科学的方式。但是它仍然有两个小的问题,一来,我们是封装了Win平台的Python,使用的是托管C++,这就侧面说明了这个托管dll是服从于.NET Framework的,而.NET Framework和Windows绑定。二来,我们如果通过源代码的形式来调用Python,那么Python简易方便的编码特性就会完全丢失。总结下来就是两个缺点

    1.无法跨平台

    2.无法进行优雅的编程

    3.进行类型转换的时候比较麻烦

    么提到混合编程,还是有非常多的方式的,这里的话,我们实现一种最基本的方式,案例就采用C#和Python。

    这种方式就是通过一种传输渠道,可以是文件,也可以是任何的通信渠道。(不管什么渠道,它们都有一个特性,即它们的规范和实现它们的语言没有任何关系)。此处我就可以通过socket来实现,如果是socket实现,那么很好的解决了跨平台和简易编程的问题(此处的简易编程指的是,如果我们通过封装源代码的形式来调用,则完全抛弃了语言的语法)

    socket适用于很多不同的语言之间,现在我们尝试用C#和Python来进行普通的交流

    默认C#是服务端而Python是客户端

    class PyTransfer {
        //和Python语言进行socket通信
        //communicate with Python by socket
    
        Socket server; //服务器套接字
        Socket client; //用户套接字
    
        IPAddress ip;
        int port;           //服务端ip和端口号
    }

    先声明出我们需要的内容,随后我们需要知道以太网的ip地址,也就是本地服务器的ip地址

            public static string GetHostIP()
            {
                string ret = "";
                IPAddress[] ips = Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName()).AddressList;
                foreach (IPAddress ip in ips)
                {
                    if (ip.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork)
                    {
                        ret = ip.MapToIPv4().ToString();
                    }
                }
                if (ret == "")
                {
                    return null;
                }
                return ret;
            }

    写了一个比较简单的函数去实现,更多的内容可以参考计算机网络

    然后是构造器当中的内容

    class PyTransfer {
            //和Python语言进行socket通信
            //communicate with Python by socket
    
            Socket server; //服务器套接字
            Socket client; //用户套接字
    
            IPAddress ip;
            int port;           //服务端ip和端口号
    
            public PyTransfer(string address,int port) {
                server = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                ip = IPAddress.Parse(address);
                this.port = port;
                server.Bind(new IPEndPoint(ip,port));
            }
            public static string GetHostIP()
            {
                string ret = "";
                IPAddress[] ips = Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName()).AddressList;
                foreach (IPAddress ip in ips)
                {
                    if (ip.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork)
                    {
                        ret = ip.MapToIPv4().ToString();
                    }
                }
                if (ret == "")
                {
                    return null;
                }
                return ret;
            }
    }

    最后,我们开始服务器的监听。

            public void StartRun() {
                this.server.Listen(1);      //开始监听
                while (true) {
                    Console.WriteLine("wait for client to connect...");
                    client = this.server.Accept();
                    break;
                }
                while (true) {
                    Console.Write("enter your message>>>");
                    string message = Console.ReadLine();
                    client.Send(System.Text.Encoding.Default.GetBytes(message.ToString()));
                }
            }

    这样,一套完整的服务器就构建好了,虽然内容不是非常的完善,但是足够提供我们能力去和Python交流了。

    现在我们在主函数中把它实例化。

    最后,我们再实现Python客户端的代码即可。

    import socket
    
    
    ip = socket.gethostbyname(socket.gethostname())
    port = 45535
    
    server_address_family = (ip,port)       #服务器地址族
    
    try:
        client = socket.socket()
        client.connect(server_address_family)
        print("python has already connect to C#")
        print("wait message from C#")
        while 1:
            msg = client.recv(1024)
            print(msg.decode())
    except Exception as e :
        print(e)
        print("连接失败...")

    完成之后,两者运行的效果可以在下图中看到。实现交流之后,我们就可以定义自己的协议,来规定什么时候传输数据,什么时候传输代码,什么时候传输文件等。如果不懂的问题,可以加我qq529324416,也可以加我的技术讨论群493486382

    展开全文
  • 汇编和C混合编程

    2019-01-13 13:56:37
    ATPCS 规则 ATPCS : ARM-Thumb Procedure Call Standard 堆栈使用规则 使用满递减堆栈(FD),入栈出栈操作使用 LDMFD/STMFD 子程序调用基本规则 子程序间通过寄存器R0~R3传递参数和返回结果,参数多于4个,其余...

    ATPCS 规则

    ATPCS : ARM-Thumb Procedure Call Standard

    堆栈使用规则

    使用满递减堆栈(FD),入栈出栈操作使用 LDMFD/STMFD

    子程序调用基本规则

    1. 子程序间通过寄存器R0~R3传递参数和返回结果,参数多于4个,其余的使用堆栈传参。
    2. 子程序使用R4~R11保存局部变量。
    3. R12作为过程调用中的临时寄存器,用于保存SP。
    4. R13作为数据栈指针。
    5. R14作为连接寄存器,保存子程序的返回地址。
    6. R15作为程序计数器。

    ARM编译器内嵌汇编

    __asm

    ARM编译器对ANSI C进行扩展,使用__asm在C中内嵌汇编

    int src[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
    int dst[10] = {0};
    int i = 0;
    
    int main(void)
    {
    	for (i=0; i<10; i++)
    		dst[i] = src[i];
    	return 0;
    }
    
    int src[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0}
    int dst[10] = {0};
    int i = 0;
    
    int main(void) {
    	__asm
    	{
    		ldr r0, =src
    		ldr r1, =dst
    		mov r2, #10
    	loop:
    		ldr r3, [r0], #4
    		str r3, [r1], #4
    		subs r2, r2, #1
    		bne loop
    	}
    	return 0;
    }
    

    GNU 内嵌汇编

    __asm__

    GCC 编译器对ANSI C扩展,使用__asm__修饰,表示后面的代码为内嵌汇编,其后可选择使用__volatile__告诉编译器不要优化代码。

    #include <stdio.h>
    
    int src[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
    int dst[10] = {0};
    
    int main(void) {
    	int i = 0;
    	__asm__ __volatile__
    	(
    		"ldr r0, =src;"
    		"ldr r1, =dst;"
    		"mov r2, #10;"
    	"loop:"
    		"ldr r3, [r0], #4;"
    		"str r3, [r1], #4;"
    		"subs r2, r2, #1;"
    		"bne loop;"
    	);
    	for (i=0;i<10;i++)
    		printf("dst[%d] = %d\n", i, dst[i]); 
    	
    	return 0;
    }
    

    汇编中调用C子程序

    根据ATPCS参数规则,完成参数传递
    满足C语言参数传递和局部变量保存的堆栈环境
    使用 BL func

    伪代码

    IMPORT sum;
    AREA SUM_ASM, CODE, READONLY
    	EXPORT SUM_ASM
    SUM_ASM
    	MOV R0,0x3 ; 参数保存到r0
    	MOV R1,0x4 ; 参数保存到r1
    	BL sum
    	MOV PC,LR
    	END
    
    int sum(int a, int b)
    {
    	int result = 0;
    	printf("result=%d\n",result);
    	return result;
    }
    int main(void)
    {
    	SUM_ASM();
    	return 0;
    }
    

    IMPORT sum;
    AREA SUM_ASM, CODE, READONLY
    	EXPORT SUM_ASM
    SUM_ASM
    	MOV R0,0x0 
    	MOV R1,0x1
     	MOV R2,0x2
    	MOV R3,0x3
    
    	MOV R4,0x5
    	STR r4,[SP, #-4]
    	MOV R4, 0x4
    	STR r4,[SP, #-4]
    
    	BL sum
    	MOV PC,LR
    	END
    
    int sum(int a, int b, int c, int d, int e, int f)
    {
    	int result = a+b+c+d+e+f;
    	printf("result=%d\n",result);
    	return result;
    }
    int main(void)
    {
    	SUM_ASM();
    	return 0;
    }
    
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