python中使用 C 类型的数组以及ctypes 的用法

Python 在 ctypes 中为我们提供了类似C语言的数据类型，

它的用途（我理解的）可能是：

（1） 与 其他语言（如 C、Delphi 等）写的动态连接库DLL 进行交换数据，因为 python 的 数据与 DLL难以进行数据交换。

(2) python 的字符串一旦形成，是不可变的，为了算法的需要，我们有时需要对字符串进行原位操作 ( in place ),而不想浪费另外的内存空间。

(3) python 具有很简明的语法，人们乐于使用。在解决实际问题时，字符串的处理占据了很大的开发量。

     互联网上有很多有用的算法可以帮助我们解决问题，如果我们能用python 写类似于 C 语言的程序，就不需要用其他语去写扩展了。

     有人会问，既然如此，用C语言，不就好了吗？

      当然可作这种选择，在用 python 的优势在于：既用使用了C语言的优点，也使用了Python的最大优点： 垃圾自动回收，代码简洁等。

    

一、 导入 C 类型 库

from ctypes import *

二、 常用的C 类型

(1) c_int   、 c_long 、c_int32

      C 类型的long int ，这两个类型完全相同。

       python 用 int 与之相应 ， 但c_int的取值范围是 32 bit 的整数 。

      占用 4 字节内存

   (2) c_int64

      64 bit 整数，占用 8 字节内存    ， python 用 int 与之相应

   (2) c_double 、c_float

      C 类型的 double , 这两个名字（ c_double 、c_float 完全相同 ）

      占用 8 字节内存   

       python 用 float 与之相应

(3) c_byte

      C 类型 的 byte ,   python 用 int 与之相应

      占用1字节内存

   (4) c_char

       C 的 8 bit 字符型   

(5) c_wchar

      C 的 unicode 字符

【注】

ctypes模块

C类型                       Python类型                        ctypes 类型
char                        1-character/string                c_char
wchar_t                     1-character/Unicode、string       c_wchar
char                        int/long                          c_byte
char                        int/long                          c_ubyte
short                       int/long                          c_short
unsigned short              int/long                          c_ushort
int                         int/long                          C_int
unsigned int                int/long                          c_uint
long                        int/long                          c_long
unsigned long               int/long                          c_ulong
long long                   int/long                          c_longlong
unsigned long long          int/long                          c_ulonglong
float                       float                             c_float
double                      float                             c_double
char *(NULL terminated)     string or none                    c_char_p
wchar_t *(NULL terminated) unicode or none                   c_wchar_p
void *                      int/long or none                  c_void_p

当一个函数期望一个指针作为参数时,可以像这样调用
function_main( byref(parameter) ). //

struct例子
下面的例子是定义一个结构
C语言例子
    struct beer_recipe
    {
    int amt_barley;
    int amt_water;
    };
    
Python例子
class beer_recipe(Structure):
    _fields_ = [
    ("amt_barley", c_int),
    ("amt_water", c_int),
    ]
    
    
Union结构例子
C语言例子
    union {
    long barley_long;
    int barley_int;
    char barley_char[8];
    }barley_amount;

Python例子
class barley_amount(Union):
    _fields_ = [
    ("barley_long", c_long),
    ("barley_int", c_int),
    ("barley_char", c_char * 8),
    ]

 

三、    生成类似C的数组

目的：初值化一个具有 10 个元素 的数组,每个元素初值为0的

   

(一） python 原生数组 list

>>> a = [ 0 ] * 10
>>> for i in range(0, len(a)):
          print( a[i], end=" ")

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
>>>

（二） 生成 10 元素的 c_int 类型的数组：

格式一：

>>> from ctypes import *
>>> a = ( c_int * 10) ()
>>> for i in range(0, len(a)):
        print( a[i], end=" ")

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
>>>

格式二：

>>> from ctypes import *
>>> M = 10
>>> a = ( c_int * M ) ()
>>> for i in range(0, len(a)):
    print( a[i], end=" ")

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

格式三：

>>> from ctypes import *
>>> myArr10 = c_int * 10
>>> a = myArr10( )
>>> for i in range(0, len(a)):
     print( a[i], end=" ")

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

c_double 的数组定义与上面相似。

四、如何使用 C 类型的数组 ?

例 1 ， 对整数数组倒序的程序

#coding=gbk
from ctypes import *
# 定义 具有10个 c_int 元素的数组
# 编写一维数组的 倒序的程序
# 说明 ： 本算法参照 网上基于指针的算法改写而成。
def outPut( A ):
    for i in range(0,N):
          print( A[i], end=" ")
    print ( "\n")
    
def arrReverse( A ， N):
    i = 0 ; j = N-1
    while i<j:
        A[i], A[j] = A[j], A[i]
        # 相当于 T =A[i]; A[i]=A[j]; A[j]=T
        i = i+1; j=j-1
    
#测试程序
N = 10
a = (c_int * N )()
for i in range(0,N):
    a[i] = i;
print ( "原数组：")    
outPut( a )
arrReverse( a ，len(a) )
print ("倒序数组：")
outPut( a )

--- 结果 ---

原数组：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

倒序数组：
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

例2 求倒序字符串

#coding=gbk
from ctypes import *
# 编写求字符串的倒序字符串 
def arrReverse( A , N ):
    i = 0 ; j = N-1
    while i<j:
        A[i], A[j] = A[j], A[i]
        # 相当于 T =A[i]; A[i]=A[j]; A[j]=T
        i = i+1; j=j-1
    
#测试程序
        
a = create_unicode_buffer( "张三买了一头小毛驴,花了1024.05元钱。")

print ( "原字符：")    
print ( a.value )
arrReverse( a , len( a ) -1 )
print ("倒序字符串：")
print ( a.value )

-- 结果 --

原字符：
张三买了一头小毛驴,花了1024.05元钱。
倒序字符串：
。钱元50.4201了花,驴毛小头一了买三张

解说

(1) create_unicode_buffer（ python的字符串 ）

是创建一个 c_wchar 的数组，其长度是 字符串的长度 +1 , 因为 C 的字符串是以 NULL 结尾的所以要多出一个元素才行。

c_wchar 是 unicode 字符。

(2)   如果您想创建一个可以装行下 100 个 unicode 字符 的空的C_wchar 数组：

ar = create_unicode_buffer（ 100+1 ）

此时, ar 具有 101 个元素，但只能装 100个字符。

由于 ar 是一个真正的数组，我们可以对它的每个元素（字符）进行修改。

从 ar 中取出 python 的字符串：

      s = ar.value

      s 中存放的是 ar 中保存的 unicode 字符相应的字符串

向 ar 中存于字符串

     ar.value = "要存入的字符串"

但要注意：

    您向 ar 中存入的字符串的字符个数必须小于等于 len(ar) -1

(3) 如果您知道 ar 中第 i 个元素的 字符编码，请使用 ord( ar[i] ) .

(4) 如果您想使 ar 的第 i 个元素 变为 "好" 这个字符，有两种方法：

    ar[i] = "好"

    或者

    ar[i] = chr(22909)

    因为 , "好" 的 uncode 编码是 22909。

小结：

（1） 从这个程序我们看到 对整数数组及 unicode 字符数组 的倒序，我们用的是相同的arrReverse 函数。

（2） 调用 arrReverse

函数时，传递元素个数 N 时，如果是 c_wchar ( unicode ) 字符数组时， 如记住最后一个元素是 NULL 这个问题。

( 3 ) 您会发现，我们这里编的程序很像 C 语言的指针，只不过，我们不需要手工释放动态申请的数组。

( 4 ) 但是您的算法中若用了大量的动态数组，等不及垃圾自动回收，而急于想释放数组占用的空间时，请使用 del ( ar )即可。

( 5) 最后一点：

     C 语言关于字符串的操作，常 使用指针的移动, 我们在 python 中移动的是数组的下标，这是作程序移植时常用的方法。

五、 C类型的数组 与 python 的 list 用法上有什么区别和联系呢？

1 C 类型的数组的长度是不可变 的。

2 C 类型数组的元素是可变的，即可以读写的

3 C 类型数组的元素是有类型的，即： 它的每个元素的类型是相同的, 而 python 的 list 的元素可以是相同类型，也可以是不同类型 。

4 C 类型数组除了不能用 形如 ar[ 3:5 ] = [] 格式的语句来删除某个子数组

5 C 类型数组的切片：

   如 x = ar[3:5]

   此时 x 是一个全新的 数组，它是原数组的完全拷贝, 此时 x 有两个元素：

   x[0] 中存的是 ar[3]的值

   x[1] 中存的是 ar[4]的值   

    此后，改变 x[0] 时， ar[3] 不会改变; 改变 ar[3] 的值，也不会改变 x[0] 的值。