C/C++脚本化: 使用Python作为现有项目的扩展

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C/C++脚本化: 使用Python作为现有项目的扩展

本文来源：Zero’s Donkey Den
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在之前的探索篇中我们已经讨论了脚本化的意义、方式以及脚本语言的选择。本篇我们主要讨论：如何优雅地通过Python来扩展C++，结合脚本语言的优势，提高现有项目的适应性及开发效率，从而达到降本增效的目的。[1]

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1 C++与Python

这里引用一段《Building Hybrid Systems with Boost.Python》中的一段描述：

Python and C++ are in many ways as different as two languages could be: while C++ is usually compiled to machine-code, Python is interpreted. Python’s dynamic type system is often cited as the foundation of its flexibility, while in C++ static typing is the cornerstone of its efficiency. C++ has an intricate and difficult compile-time meta-language, while in Python, practically everything happens at runtime.

Yet for many programmers, these very differences mean that Python and C++ complement one another perfectly. Performance bottlenecks in Python programs can be rewritten in C++ for maximal speed, and authors of powerful C++ libraries choose Python as a middleware language for its flexible system integration capabilities.

Python和C++存在很多差异: C++被编译成机器码，而Python是解释执行的。Python的动态类型系统常常被认为是它灵活性的基础，而在C++的静态类型是C++效率的基石。C++有一种复杂晦涩的编译时元语言，而在Python中，几乎一切都发生在运行时。

然而对很多程序员来说, 这些差异意味着Python和C++可以完美互补。Python程序的性能瓶颈可以用C++重写, 强大的C++库的作者选择Python作为中间件语言, 以实现其灵活的系统集成能力。

译文来自：使用Boost.Python构建混合系统(译)

简单总结一下就是：“表达同一个意思，中文要比英文短” (★ᴗ★)。

Python具有简洁、灵活、高效的语法，丰富多样的生态，C++与其结合可以完美的互补双方的缺点、发挥自身优势，可谓是天作之合。

而在C++准标准库Boost中，Boost.Python的出现为这种结合提供了一个强力粘合剂。

2 Boost.Python

Boost.Python是一个用于连接Python和C++的框架，它允许开发人员快速无缝地将c++类、函数和对象暴露给Python，反之亦然，其特点如下[2]：

无缝集成
Boost.Python提供了一个简单而灵活的接口，使得在C++和Python之间进行函数调用、数据交换以及对象创建非常方便。可以轻松地将现有的C++代码包装成Python模块，无需对原有代码做太多修改（当然也可以快速的将Python嵌入到C++中）。
完整的类型支持
Boost.Python支持将几乎所有的C++类型（包括基本类型、自定义类、指针、引用等）导出到Python中，并能够自动处理类型转换。这使得在C++和Python之间传递数据变得简单，无需手动编写繁琐的转换代码。
支持C++到Python的异常转换
当Python调用C++时，产生的C++异常可以自动转换到Python，也可以添加异常转换处理器，实现自定义的异常转换规则。
支持C++中操作Python对象
Boost.Python提供一系列的Python对象封装，允许开发者可以方便的操作诸如：字典、列表、元组、字符串、数值等内建对象。
支持C++虚拟函数, 并能在Python中重写
这意味着我们可以暴露C++抽象类，并能在Python中继承、重写，消除语言接口的差异。
支持C++迭代器导出为Python迭代器

2.1 开发环境需求

通常Boost.Python提供了一个编译好的二进制版本，以libboost_python38…命名，其中的数字38表示版本号。如果Python版本或者二进制版本与我们期望的不符合，则需要编译自己的二进制版本。

下面简述如何在Windows平台编译Boost[.Python]组件 [3]：

我们假设Boost源码目录位于boost_1_69_0

编辑配置文件user-config.jam修改Python依赖 [4]

编辑如下文件
boost_1_69_0\tools\build\src\user-config.jam
若不存在则从如下位置位置拷贝
boost_1_69_0\tools\build\example\user-config.jam

修改如下内容(文件路径改成自己的)

# ---------------------
# Python configuration.
# --------------------- 
# Configure specific Python version.
# using python : 3.1 : /usr/bin/python3 : /usr/include/python3.1 :  usr/lib ; 

using python : 3.8 : H:/local/Python-3.8.3 : H:/local/Python-3.8.3/include : H:/local/Python-3.8.3 ;

编译Boost.Python(需要在Visual Studio命令提示中执行) [5]

$cd boost_1_69_0 # 1. 进入boost目录
$bootstrap       # 2. 生成构建工具：b2.exe，bjam.exe

# 3. 编译静态运行时版本
$b2 stage --toolset=msvc-14.1 --with-python runtime-link=static threading=multi debug release

# 4. 编译动态运行时版本
$b2 stage --toolset=msvc-14.1 --with-python runtime-link=shared threading=multi debug release

3 Python embeddable package

在Windows平台下，Python官方主要提供了两种二进制包：[6]

前者是完整的安装程序，除了提供了Python解释器、标准库、工具和各种第三方库的集合外，还会配置环境变量和注册表项，方便系统范围内的Python使用，这也是通常情况下安装及使用的包。

而后者通常用于将Python作为嵌入式脚本语言集成到其他软件中，或者用于构建独立的可执行文件。它的特点是文件体积较小，只包含了核心的Python组件（通常是python310.zip，*pyd），没有额外的工具和库。你可以将Python的解释器和相关文件复制到你的应用程序目录中，并从你的应用程序中调用Python解释器来执行Python代码。

在这里我们重点关注Windows embeddable package发行包，通常包文件结构如下：

.
|-- python.exe
|-- pythonw.exe
|-- python3.dll (64.2KB)
|-- python310.dll (3.95MB)
|-- python310._pth
|-- python310.zip
|-- python.cat
|-- LICENSE.txt
|-- *.pyd
`-- *.dll

python.exe、pythonw.exe
Python解释器可执行文件，两者的区别是后者无命令行界面，通常用于在后台运行Python脚本。
python310.zip
Python标准库：仅包含预编译并优化后的.pyc文件。
python310.dll、python3.dll
Python解释器的动态链接库，提供Python解释器的核心功能，两者的区别是：后者是前者的壳（备用名），即把所有接口都转发到前者。
*