cpython api

Python/C API 详解

Python/C API 是 Python 提供的一组接口，允许 C 语言程序与 Python 解释器进行交互，通过这些 API，开发者可以在 C 语言中调用 Python 代码，创建 Python 对象，甚至可以将 Python 嵌入到 C 程序中，这种交互方式使得开发者能够利用 C 语言的高效性能，同时享受 Python 的灵活性和易用性。

一、环境配置

1、基本环境：

Windows 10

Visual Studio 2022

Python 3.10（安装在 Anaconda 下）

2、Python 安装 + Visual Studio 安装：

使用 Anaconda 安装 Python。

安装 Visual Studio。

3、Python 环境配置：

安装 Python 成功后，需要添加两个系统环境变量：PYTHONHOME 和PYTHONPATH，操作步骤：电脑 -> 属性 -> 高级系统设置 -> 环境变量 -> 系统变量 -> 新建。

注意事项：添加后，若需要调用其他虚拟环境，可能会遇到ImportError: cannot import name 'text_encoding' from 'io' (unknown location) 的错误提示，这是因为 Python 版本冲突，解决方法是删除环境变量PYTHONHOME 和PYTHONPATH，测试结果：将 D:Anacondaenvs 环境下的虚拟环境剪切到其他路径，然后再剪切回来，若不添加，后续将无法正常运行，而只能得到报错提示。

4、Visual Studio 环境配置（执行 Python 代码）：

新建项目：打开 VS -> 文件 -> 新建 -> 项目 -> 空项目 -> 创建。

环境配置：选中新建项目 -> 属性。

新建文件：项目 -> 源文件 -> 添加 -> 新建项 -> main.cpp。

添加代码：在 main.cpp 文件中添加以下源码：

 #include <Python.h>
     int main() {
         Py_Initialize();
         PyRun_SimpleString("print('hello python')");
         Py_Finalize();
         return 0;
     }

二、Python/C API 函数详解

1、初始化和结束 Python 解释器：

Py_Initialize()：初始化 Python 解释器。

Py_Finalize()：结束 Python 解释器。

Py_SetProgramName(const wchar_t *)：设置 Python 解释器的路径。

Py_SetProgramName(const wchar_t *)：设置 Python 解释器的程序名，这个程序名通常用于生成错误消息、警告和其他与程序标识相关的信息。

PyRun_SimpleString()：用于在 Python 解释器中执行简单的 Python 代码字符串。

2、对象操作：

PyObject：Python 对象的基本类型。

Py_INCREF(obj) 和Py_DECREF(obj)：增加和减少对象的引用计数。

Py_BuildValue(format, ...)：根据格式化字符串创建 Python 对象，类似 C 语言中的 printf 函数。

PyArg_ParseTuple(args, format, ...)：解析传入的参数元组。

3、模块和导入：

PyImport_ImportModule(name)：导入指定名称的 Python 模块。

PyModule_AddObject(module, name, obj)：向模块添加对象。

4、函数和方法：

PyObject_CallObject(func, args)：调用 Python 函数或方法。

PyObject_GetAttrString(obj, name)：获取对象的属性。

PyObject_SetAttrString(obj, name, value)：设置对象的属性。

5、异常处理：

PyErr_Occurred() 和PyErr_Print()：检查和打印 Python 异常。

PyErr_SetString(type, message)：设置异常消息。

6、字符串和编码：

PyUnicode_FromString(str) 和PyUnicode_AsUTF8(obj)：字符串和 UTF-8 编码之间的转换。

PyUnicode_DecodeFSDefault(str)：将文件系统默认编码的字节序列解码为 Python Unicode 对象。

7、列表和元组：

PyList_New(size)：创建一个新的 Python 列表。

PyTuple_Pack(size, ...)：打包参数为元组。

8、字典：

PyDict_New()：创建一个新的 Python 字典。

PyDict_SetItem(dict, key, value)：向字典中添加键值对。

9、模块和函数定义：

PyMethodDef：定义 Python 模块中的函数。

PyModuleDef：定义 Python 模块。

三、应用场景

1、扩展模块开发：开发者可以使用 Python/C API 编写扩展模块，将 C 语言的高效算法封装为 Python 模块，从而在 Python 中调用，这对于需要高效计算的场景尤为重要，比如科学计算、图像处理等。

2、嵌入 Python 解释器：如果你有一个用 C 或 C++ 编写的应用程序，并希望在其中使用 Python 的强大功能，Python/C API 允许你将 Python 解释器嵌入到你的应用中，这使得你可以在应用程序中执行 Python 代码，甚至可以通过 Python 脚本来扩展应用的功能。

3、与 Python 对象交互：Python/C API 提供了一系列函数，允许 C/C++ 程序员创建、操作和管理 Python 对象，这意味着你可以在 C/C++ 代码中直接使用 Python 的数据结构和功能。

四、适用的编程语言

虽然 Python/C API 主要是为了 Python 与 C 语言的交互而设计，但它也可以与其他编程语言结合使用，以下是一些适用的编程语言：

1、C++：由于 C++ 是 C 语言的超集，开发者可以使用 Python/C API 在 C++ 程序中调用 Python 代码，创建 Python 对象，甚至可以将 Python 嵌入到 C++ 程序中。

2、Rust：Rust 是一种现代系统编程语言，具有内存安全性和高性能，开发者可以通过 FFI（Foreign Function Interface）将 Rust 与 Python 结合，利用 Python/C API 实现交互。

3、Go：Go 语言以其并发性和高效性受到欢迎，开发者可以使用 cgo 将 Go 与 C 语言结合，通过 Python/C API 实现 Python 与 Go 的交互。

4、Java：虽然 Java 与 C 语言的交互相对复杂，但开发者可以通过 JNI（Java Native Interface）将 Java 与 C 结合，并通过 Python/C API 实现 Python 与 Java 的交互。

五、FAQs

1、Q: Python/C API 的主要作用是什么？

A: Python/C API 的主要作用是在 C/C++ 中嵌入 Python 代码，包括 C/C++ 调用 Python 函数、操作 Python 对象、双向通信等，它允许开发者利用 C/C++ 的高效性能，同时享受 Python 的灵活性和易用性。

2、Q: Python/C API 在哪些领域有应用？

A: Python/C API 在多个领域都有应用，包括但不限于科学计算、图像处理、游戏开发、系统级编程等，在科学计算领域，许多高性能计算库（如 NumPy、SciPy）都是用 C/C++ 编写的，并通过 Python/C API 与 Python 结合，进行高效的数据处理和计算。