深入了解Python扩展C语言开发

一、初识Python扩展C语言开发

随着Python语言的流行，越来越多的程序员对Python扩展C语言开发的需求也越来越高。Python扩展C语言开发可以帮助我们更好地利用C语言的强大性能，完成Python中无法实现的任务。Python扩展C语言开发的好处在于，我们可以编写C语言代码，直接在Python中调用。下面我们来介绍如何初步实现Python扩展C语言开发。

以计算阶乘为例，我们可以首先创建一个factorial.c的文件。代码如下：

#include 

long factorial(int n) {
    long result = 1;
    for(int i=1; i<=n; i++) {
        result *= i;
    }
    return result;
}

static PyObject* factorial_func(PyObject* self, PyObject* args) {
    int n;
    if(!PyArg_ParseTuple(args, "i", &n)) {
        return NULL;
    }
    return Py_BuildValue("i", factorial(n));
}

static PyMethodDef factorial_methods[] = {
    {"factorial", factorial_func, METH_VARARGS, "Calculate factorial"},
    {NULL, NULL, 0, NULL}
};

static struct PyModuleDef factorial_module = {
    PyModuleDef_HEAD_INIT,
    "factorial",
    "The module that calculates factorial",
    -1,
    factorial_methods
};

PyMODINIT_FUNC PyInit_factorial(void) {
    return PyModule_Create(&factorial_module);
}

  

以上代码中，我们声明了一个名为factorial的函数，用于计算阶乘。然后，我们定义了一个名为factorial_func的函数，用于接收Python中传入的参数，并调用C语言中的factorial函数。最后，我们定义了factorial_methods以及factorial_module。这样，我们就完成了Python扩展C语言开发的初始化阶段。下面，我们可以在Python中调用之前编写的C语言代码。代码如下：

import factorial

print(factorial.factorial(5))

二、Python扩展C语言开发应用案例

Python扩展C语言开发的应用场景十分广泛。例如，我们可以使用Python扩展C语言开发来解决一些计算密集型任务，提高Python代码性能。下面，我们来看一个使用Python扩展C语言开发的筛素数应用示例。

首先，我们可以编写一个primes.c的文件，代码如下：

#include 

static PyObject* primes_func(PyObject* self, PyObject* args) {
    int num;
    if(!PyArg_ParseTuple(args, "i", &num)) {
        return NULL;
    }
    int start = 2;
    int end = num;
    int prime_num = 0;
    for(int i=start; i<=end; i++) {
        int flag = 1;
        for(int j=2; j
   


    
以上代码中，我们声明了一个名为primes_func的函数，用于计算小于等于给定数num的素数个数。在C语言中，我们可以使用简单暴力的方法，遍历从2到num之间的数字，依次判断每个数字是否为素数。最后返回素数个数。编译primes.c文件，生成primes模块。代码如下：


    
gcc -fPIC -I/usr/include/python3.6m -c primes.c -o primes.o
gcc -shared primes.o -o primes.so



    
接下来，我们在Python中使用primes模块调用C语言代码。代码如下：


    
import primes

print(primes.primes(10000))



    
三、Python扩展C语言开发的性能提升

    
使用Python扩展C语言开发可以提高Python程序的性能。下面，我们来比较一下Python程序和Python扩展C语言程序的性能。首先，我们编写一个用于计算一个长列表元素之和的Python程序，代码如下：


    
import time

target_list = list(range(100000))
start = time.time()
result = sum(target_list)
end = time.time()
print(result)
print('Time used:', end-start)



    
以上代码中，我们使用Python内置函数sum计算列表中所有元素的和，最后输出结果和程序执行时间。执行以上代码，我们发现程序执行时间大约为0.015秒。接下来，我们使用Python扩展C语言开发，编写一个类似功能的C语言程序。代码如下：


    
#include 

static PyObject* sum_func(PyObject* self, PyObject* args) {
    PyObject* list;
    if(!PyArg_ParseTuple(args, "O", &list)) {
        return NULL;
    }
    Py_ssize_t len = PyList_Size(list);
    double result = 0;
    for(Py_ssize_t i=0; i
      


       
以上代码中，我们声明了一个名为sum_func的函数，用于计算传入列表的元素之和。在C语言中，我们使用PyList_GetItem获取列表中的元素，并使用PyFloat_AsDouble将列表元素转换为double类型，最后返回元素之和。编译sum.c文件，生成sum模块。代码如下：


       
gcc -fPIC -I/usr/include/python3.6m -c sum.c -o sum.o
gcc -shared sum.o -o sum.so



       
接下来，我们在Python中调用sum模块，比较Python程序和Python扩展C语言程序的性能。代码如下：


       
import time
import sum

target_list = list(range(100000))
start = time.time()
result = sum.sum(target_list)
end = time.time()
print(result)
print('Time used:', end-start)



       
执行以上代码，我们发现程序执行时间大约为0.003秒，相比Python程序，提高了5倍左右的性能。