Python 是一種用于快速開發(fā)軟件的編程語言，它的語法比較簡(jiǎn)單，易于掌握，但存在執(zhí)行速度慢的問題，并且在處理某些問題時(shí)存在不足，如對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的訪問，對(duì)媒體文件的訪問等。而作為軟件開發(fā)的傳統(tǒng)編程語言 C 語言，卻能在這些問題上很好地彌補(bǔ) Python 語言的不足。因此，本文通過實(shí)例研究如何在 Python 程序中整合既有的 C 語言模塊，包括用 C 語言編寫的源程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等，從而充分發(fā)揮 Python 語言和 C 語言各自的優(yōu)勢(shì)。
概覽

背景知識(shí)介紹
Python 語言的特點(diǎn)

Python 作為一門程序開發(fā)語言，被越來越多地運(yùn)用到快速程序開發(fā)。Python 是一種解釋型的，互動(dòng)的，面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它包含了模塊化的操作，異常處理，動(dòng)態(tài)資料形態(tài)，以及類型的使用。它的語法表達(dá)優(yōu)美易讀，具有很多優(yōu)秀的腳本語言的特點(diǎn)：解釋的，面向?qū)ο蟮?，?nèi)建的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持模塊和包，支持多種平臺(tái)，可擴(kuò)展。而且它還支持交互式方式運(yùn)行，圖形方式運(yùn)行。它擁有眾多的編程界面支持各種操作系統(tǒng)平臺(tái)以及眾多的各類函數(shù)庫(kù)，利用 C 和 C++ 可以對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)充。
C 語言的特點(diǎn)

C 語言作為最受人們歡迎的語言之一，有廣泛的發(fā)展基礎(chǔ)。簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便，功能強(qiáng)大是其特點(diǎn)。另外，C 語言是一門中級(jí)語言。它把高級(jí)語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級(jí)語言的實(shí)用性結(jié)合起來。由于可以直接訪問物理地址，可以方便的對(duì)硬件進(jìn)行操作。因此，很多的系統(tǒng)軟件都是由 C 語言編寫。
Python 語言與 C 語言的交互

為了節(jié)省軟件開發(fā)成本，軟件開發(fā)人員希望能夠縮短的軟件的開發(fā)時(shí)間，希望能夠在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出穩(wěn)定的產(chǎn)品。Python 功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)單易用，能夠快速開發(fā)應(yīng)用軟件。但是由于 Python 自身執(zhí)行速度的局限性，對(duì)性能要求比較高的模塊需要使用效率更高的程序語言進(jìn)行開發(fā)，例如 C 語言，系統(tǒng)的其他模塊運(yùn)用 Python 進(jìn)行快速開發(fā)，最后將 C 語言開發(fā)的模塊與 Python 開發(fā)的模塊進(jìn)行整合。在此背景下，基于 Python 語言與 C 語言的各自特點(diǎn)，用 C 語言來擴(kuò)展現(xiàn)有的 Python 程序，顯得很有意義。本文首先介紹幾種常用的整合 Python 程序與 C 語言程序的方法，最后給出相應(yīng)的實(shí)例。
利用 ctypes 模塊整合 Python 程序和 C 程序
ctypes 模塊

ctypes 是 Python 的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，它包含在 Python2.3 及以上的版本里。ctypes 是一個(gè) Python 的高級(jí)外部函數(shù)接口，它使得 Python 程序可以調(diào)用 C 語言編譯的靜態(tài)鏈接庫(kù)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。運(yùn)用 ctypes 模塊，能夠在 Python 源程序中創(chuàng)建，訪問和操作簡(jiǎn)單的或復(fù)雜的 C 語言數(shù)據(jù)類型。最為重要的是 ctypes 模塊能夠在多個(gè)平臺(tái)上工作，包括 Windows，Windows CE，Mac OS X，Linux，Solaris，F(xiàn)reeBSD，OpenBSD。

接下來通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子來看一下 ctypes 模塊如何整合 Python 程序和 C 程序。
源代碼層面上的整合

利用 Python 本身提供的 ctypes 模塊可以使 Python 語言和 C 語言在源代碼層面上進(jìn)行整合。本節(jié)介紹了如何通過使用 ctypes 庫(kù)，在 Python 程序中可以定義類似 C 語言的變量。

下表列出了 ctypes 變量類型，C 語言變量類型和 Python 語言變量類型之間的關(guān)系：
表 1. ctypes，c 語言和 Python 語言變量類型關(guān)系

表 1 中的第一列是在 ctypes 庫(kù)中定義的變量類型，第二列是 C 語言定義的變量類型，第三列是 Python 語言在不使用 ctypes 時(shí)定義的變量類型。

舉例：
清單 1. ctypes 簡(jiǎn)單使用

 >>> from ctypes import *        # 導(dǎo)入 ctypes 庫(kù)中所有模塊
 >>> i = c_int(45)            # 定義一個(gè) int 型變量，值為 45 
 >>> i.value                # 打印變量的值
 45 
 >>> i.value = 56             # 改變?cè)撟兞康闹禐?56 
 >>> i.value                # 打印變量的新值
 56

從下面的例子可以更明顯地看出 ctypes 里的變量類型和 C 語言變量類型的相似性：
清單 2. ctypes 使用 C 語言變量

 >>> p = create_string_buffer(10)   # 定義一個(gè)可變字符串變量，長(zhǎng)度為 10 
 >>> p.raw                 # 初始值是全 0，即 C 語言中的字符串結(jié)束符' \0 '
'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'
 >>> p.value = "Student"         # 字符串賦值
 >>> p.raw                 # 后三個(gè)字符仍是' \0 '
'Student\x00\x00\x00'
 >>> p.value = "Big"           # 再次賦值
 >>> p.raw                  # 只有前三個(gè)字符被修改，第四個(gè)字符被修改為' \0 '
'Big\x00ent\x00\x00\x00'

下面例子說明了指針操作：
清單 3. ctypes 使用 C 語言指針

 >>> i = c_int(999)                 # 定義 int 類型變量 i，值為 999 
 >>> pi = pointer(i)                # 定義指針，指向變量 i 
 >>> pi.contents                   # 打印指針?biāo)傅膬?nèi)容
 c_long(999) 
 >>> pi.contents = c_long(1000)          # 通過指針改變變量 i 的值
 >>> pi.contents                   # 打印指針?biāo)傅膬?nèi)容
 c_long(1000)

下面例子說明了結(jié)構(gòu)和數(shù)組的操作：
清單 4. ctypes 使用 C 語言數(shù)組和結(jié)構(gòu)體

 >>> class POINT(Structure):         # 定義一個(gè)結(jié)構(gòu)，內(nèi)含兩個(gè)成員變量 x，y，均為 int 型
 ...   _fields_ = [("x", c_int), 
 ...         ("y", c_int)] 
 ... 
 >>> point = POINT(2,5)           # 定義一個(gè) POINT 類型的變量，初始值為 x=2, y=5 
 >>> print point.x, point.y           # 打印變量
 2 5 
 >>> point = POINT(y=5)              # 重新定義一個(gè) POINT 類型變量，x 取默認(rèn)值
 >>> print point.x, point.y           # 打印變量
 0 5 
 >>> POINT_ARRAY = POINT * 3          # 定義 POINT_ARRAY 為 POINT 的數(shù)組類型
 # 定義一個(gè) POINT 數(shù)組，內(nèi)含三個(gè) POINT 變量
 >>> pa = POINT_ARRAY(POINT(7, 7), POINT(8, 8), POINT(9, 9)) 
 >>> for p in pa: print p.x, p.y        # 打印 POINT 數(shù)組中每個(gè)成員的值
 ... 
 7 7 
 8 8 
 9 9

Python 訪問 C 語言 dll

通過 ctypes 模塊，Python 程序可以訪問 C 語言編譯的 dll，本節(jié)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，Python 程序 helloworld.py 中調(diào)用 some.dll 中的 helloworld 函數(shù)，來介紹 Python 程序如何調(diào)用 windows 平臺(tái)上的 dll。

    導(dǎo)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
    清單 5. ctypes 導(dǎo)入 dll

 from ctypes import windll # 首先導(dǎo)入 ctypes 模塊的 windll 子模塊
 somelibc = windll.LoadLibrary(some.dll) # 使用 windll 模塊的 LoadLibrary 導(dǎo)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

    訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)
    清單 6. ctypes 使用 dll 中的函數(shù)

somelibc. helloworld() # 這樣就可以得到 some.dll 的 helloworld 的返回值。

    整個(gè) helloworld.py 是這樣的：
    清單 7. Python hellpworld 代碼

   from ctypes import windll 

   def callc(): 
   # load the some.dll 
   somelibc = windll.LoadLibrary(some.dll) 
   print somelibc. helloworld() 
   if __name__== “__main__”: 
   callc()

    在命令行運(yùn)行 helloworld.py，在 console 上可以看到 some.dll 中 helloworld 的輸出。
    清單 8. Python hellpworld Windows command console 運(yùn)行輸出

   C:\>python C:\python\test\helloworld.py 
   Hello World! Just a simple test.

Python 調(diào)用 C 語言 so

通過 ctypes 模塊，Python 程序也可以訪問 C 語言編譯的 so 文件。與 Python 調(diào)用 C 的 dll 的方法基本相同，本節(jié)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，Python 程序 helloworld.py 中調(diào)用 some.so 中的 helloworld 函數(shù)，來介紹 Python 程序如何調(diào)用 linux 平臺(tái)上的 so。

    導(dǎo)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
    清單 9. ctypes 導(dǎo)入 so

 from ctypes import cdll   
   # 首先導(dǎo)入 ctypes 模塊的 cdll 子模塊，注意 linux 平臺(tái)上使用 cdll 的，而不是 windll。
   somelibc = cdll.LoadLibrary(“./some.so”)
   # 使用 cdll 模塊的 LoadLibrary 導(dǎo)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

    訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)
    清單 10. ctypes 使用 so 中的函數(shù)

   somelibc. helloworld() # 使用方法與 windows 平臺(tái)上是一樣的。

    整個(gè) helloworld.py 是這樣的：
    清單 11. Python helloworld 代碼

   from ctypes import cdll 

   def callc(): 
   # load the some.so 
   somelibc = cdll.LoadLibrary(some.so) 
   print somelibc. helloworld() 
   if __name__== “__main__”: 
   callc()

    在命令行運(yùn)行 helloworld.py，在 linux 標(biāo)準(zhǔn)輸出上可以看到 some.so 中 helloworld 的輸出。
    清單 12. Python hellpworld Linux shell 運(yùn)行輸出

   [root@linux-790t] python ./helloworld.py 
   Hello World! Just a simple test.

Python 程序和 C 程序整合實(shí)例

以下我們舉例用 Python 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)小工具，用來實(shí)現(xiàn) hash 算法，查看文件的校驗(yàn)和（MD5,CRC,SHA1 等等）。通過查看文件的校驗(yàn)和，可以知道文件在傳輸過程中是否被破壞或篡改。

Hash，一般翻譯做“散列”，也有直接音譯為"哈希"的，就是把任意長(zhǎng)度的輸入（又叫做預(yù)映射，pre-image），通過散列算法，變換成固定長(zhǎng)度的輸出，該輸出就是散列值。這種轉(zhuǎn)換是一種壓縮映射，也就是，散列值的空間通常遠(yuǎn)小于輸入的空間，不同的輸入可能會(huì)散列成相同的輸出，而不可能從散列值來唯一的確定輸入值。簡(jiǎn)單的說就是一種將任意長(zhǎng)度的消息壓縮到某一固定長(zhǎng)度的消息摘要的函數(shù)。

由于相對(duì) C 語言來說，Python 的運(yùn)行效率較低，因此我們的 Python 小工具利用一個(gè)已有的 C 語言的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) (hashtcalc.dll) 來實(shí)現(xiàn)我們的程序。本例中，我們運(yùn)用 wxPython 編寫簡(jiǎn)單的 GUI 界面，通過 python 調(diào)用 hashtcalc.dll 的接口計(jì)算文件的校驗(yàn)和，然后輸出在界面上。
架構(gòu)圖
圖 1. 工具的架構(gòu)圖

hashcalc.dll 接口描述

函數(shù)名：calc_CRC32

函數(shù)：char* calc_CRC32(char *filename);

參數(shù)：文件名

返回值：字符串

說明：該函數(shù)對(duì)輸入的文件內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，并且返回它的 CRC32

函數(shù)名：calc_MD5

函數(shù)：char* calc_MD5(char *filename);

參數(shù)：文件名

返回值：字符串

說明：該函數(shù)對(duì)輸入的文件內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，并且返回它的 MD5

函數(shù)名：calc_SHA1

函數(shù)：char* calc_SHA1 (char *filename);

參數(shù)：文件名

返回值：字符串

說明：該函數(shù)對(duì)輸入的文件內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，并且返回它的 SHA1
HashcalcAdapter 代碼

HashcalcAdapter.py 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) python 的 class HashcalcAdapter，HashcalcAdapter 對(duì) hashtcalc.dl 的 C 語言接口進(jìn)行了封裝，使得其他 python 模塊可以直接通過 HashcalcAdapter 使用 hashtcalc.dll 中實(shí)現(xiàn)的 hash 算法。具體的代碼如下：
清單 13. HashcalcAdapter.py 代碼

 from ctypes import windll 
 from ctypes import * 

 class HashcalcAdapter(object): 
  def __init__(self, dllpath): 
    self._dllpath = dllpath 
    self._libc = windll.LoadLibrary(self._dllpath) 

  def calc_CRC32(self, filename): 
  new_filename = c_char_p(filename) 
  return self._libc.calc_CRC32(new_filename) 

  def calc_MD5(self, filename): 
  new_filename = c_char_p(filename) 
  return self._libc.calc_MD5(new_filename) 

  def calc_SHA1(self, filename): 
  new_filename = c_char_p(filename) 
  return self._libc.calc_SHA1(new_filename)

運(yùn)行界面
圖 2. 工具的運(yùn)行界面

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