使用ctypes在Python中调用C++动态库

入门操作

使用ctypes库可以直接调用C语言编写的动态库,而如果是调用C++编写的动态库,需要使用extern关键字对动态库的函数进行声明:

#include <iostream>
using namespace std; extern "C" {
void greet() {
cout << "hello python" << endl;
}
}

将上述的C++程序编译成动态链接库:

g++ hello.cpp -fPIC -shared -o hello.so

在Python代码中使用ctypes导入动态库,调用函数:

# -*- coding: utf-8 -*- #
from ctypes import CDLL hello = CDLL('./hello.so') if __name__ == '__main__':
hello.greet()

运行上述Python程序:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
hello python

参数传递

编写一个整数加法函数

#include <iostream>
using namespace std; extern "C" {
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
}

编译得到动态库,在Python代码中调用:

# -*- coding: utf-8 -*- #
from ctypes import CDLL hello = CDLL('./hello.so') if __name__ == '__main__':
a = input('input num1: ')
b = input('input num2: ')
print('output: %d' % hello.add(int(a), int(b)))

运行上述代码,得到输出:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
input num1: 12
input num2: 34
output: 46

尝试传递字符串参数

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std; extern "C" {
void print_name(const char* name) {
printf("%s\n", name);
}
}

Python代码调用:

# -*- coding: utf-8 -*- #
from ctypes import CDLL hello = CDLL('./hello.so') if __name__ == '__main__':
name = input('input name: ')
hello.print_name(name.encode('utf-8')) # 此处需要将Python中的字符串按照utf8编码成bytes

查看输出:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
input name: yanhewu
yanhewu

面向对象

使用C++编写动态链接库我们肯定会想到如何在Python中调用C++的类,由于ctypes只能调用C语言函数(C++中采用extern "C"声明的函数),我们需要对接口进行一定的处理:

C++代码示例

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
using namespace std; class Student {
private:
string name;
public:
Student(const char* n);
void PrintName();
}; Student::Student(const char* n) {
this->name.assign(n);
} void Student::PrintName() {
cout << "My name is " << this->name << endl;
} extern "C" {
Student* new_student(const char* name) {
return new Student(name);
} void print_student_name(Student* stu) {
stu->PrintName();
}
}

Python代码中调用:

# -*- coding: utf-8 -*- #
from ctypes import CDLL hello = CDLL('./hello.so') class Student(object):
def __init__(self, name):
self.stu = hello.new_student(name.encode('utf-8')) def print_name(self):
hello.print_student_name(self.stu) if __name__ == '__main__':
name = input('input student name: ')
s = Student(name)
s.print_name()

输出:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
input student name: yanhewu
My name is yanhewu

内存泄漏?

上一部分我们我们尝试了如何使用ctypes调用带有类的C++动态库,这里我们不禁会想到一个问题,我们在动态库中使用new动态申请的内存是否会被Python的GC清理呢?这里我们完全可以猜想,C++动态库中的动态内存并不是使用Python中的内存申请机制申请的,Python不应该对这部分内存进行GC,如果真的是这样,C++的动态库就会出现内存泄漏的问题了。那事实是不是这样呢?我们可以使用内存检查工具Valgrind来检查上面的Python代码:

命令:

valgrind python3 hello.py

最终结果输出:

==17940== HEAP SUMMARY:
==17940== in use at exit: 647,194 bytes in 631 blocks
==17940== total heap usage: 8,914 allocs, 8,283 frees, 5,319,963 bytes allocated
==17940==
==17940== LEAK SUMMARY:
==17940== definitely lost: 32 bytes in 1 blocks
==17940== indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==17940== possibly lost: 4,008 bytes in 7 blocks
==17940== still reachable: 643,154 bytes in 623 blocks
==17940== suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==17940== Rerun with --leak-check=full to see details of leaked memory
==17940==
==17940== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==17940== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
==17940== ERROR SUMMARY: 795 errors from 86 contexts (suppressed: 0 from 0)

可以看到,definitely lost了32字节,确实出现了内存泄漏,但是是不是动态库的问题我们还要进一步验证:

C++代码加入析构函数定义:

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
using namespace std; class Student {
private:
string name;
public:
Student(const char* n);
~Student();
void PrintName();
}; Student::Student(const char* n) {
this->name.assign(n);
} Student::~Student() {
cout << "Student's destructor called" << endl;
} void Student::PrintName() {
cout << "My name is " << this->name << endl;
} extern "C" {
Student* new_student(const char* name) {
return new Student(name);
} void print_student_name(Student* stu) {
stu->PrintName();
}
}

运行相同的Python代码:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
input student name: yanhewu
My name is yanhewu

从输出可以看到,Student的析构函数并没有被调用。这里可以确定,Python的GC并没有对动态库中申请的内存进行处理,也确实不能进行处理(毕竟不是Python环境下申请的内存,在C++动态库中可能会先释放这部分内存,如果GC再次释放就会出现内存问题)。但是内存泄漏的问题还是需要解决的,可以参照以下做法:

C++代码中添加内存释放接口:

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
using namespace std; class Student {
private:
string name;
public:
Student(const char* n);
~Student();
void PrintName();
}; Student::Student(const char* n) {
this->name.assign(n);
} Student::~Student() {
cout << "Student's destructor called" << endl;
} void Student::PrintName() {
cout << "My name is " << this->name << endl;
} extern "C" {
Student* new_student(const char* name) {
return new Student(name);
} // 释放对象内存函数
void del_student(Student* stu) {
delete stu;
} void print_student_name(Student* stu) {
stu->PrintName();
}
}

Python代码中,在Student类中调用内存释放函数:

# -*- coding: utf-8 -*- #
from ctypes import CDLL hello = CDLL('./hello.so') class Student(object):
def __init__(self, name):
self.stu = hello.new_student(name.encode('utf-8')) def __del__(self):
# Python的对象在被GC时调用__del__函数
hello.del_student(self.stu) def print_name(self):
hello.print_student_name(self.stu) if __name__ == '__main__':
name = input('input student name: ')
s = Student(name)
s.print_name()

运行Python代码:

xujijun@pc:~/codespace/python$ python3 hello.py
input student name: yanhewu
My name is yanhewu
Student's destructor called

可以看到,C++动态库中的Student类的析构函数被调用了。再次使用Valgrind检查内存使用情况:

==23780== HEAP SUMMARY:
==23780== in use at exit: 647,162 bytes in 630 blocks
==23780== total heap usage: 8,910 allocs, 8,280 frees, 5,317,023 bytes allocated
==23780==
==23780== LEAK SUMMARY:
==23780== definitely lost: 0 bytes in 0 blocks
==23780== indirectly lost: 0 bytes in 0 blocks
==23780== possibly lost: 4,008 bytes in 7 blocks
==23780== still reachable: 643,154 bytes in 623 blocks
==23780== suppressed: 0 bytes in 0 blocks
==23780== Rerun with --leak-check=full to see details of leaked memory
==23780==
==23780== For counts of detected and suppressed errors, rerun with: -v
==23780== Use --track-origins=yes to see where uninitialised values come from
==23780== ERROR SUMMARY: 793 errors from 87 contexts (suppressed: 0 from 0)

可以看到,definitely lost已经变为0,可以确定动态库申请的内存被成功释放。

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