pybind11: C++ 工程如何提供 Python 接口

C/C++ 工程提供 Python 接口,有利于融合进 Python 的生态。现在 Python 在应用层,有其得天独厚的优势。尤其因为人工智能和大数据的推波助澜, Python 现在以及未来,将长期是最流行的语言之一。

那 C/C++ 怎么提供 Python 接口呢?

  1. ctypes: C 与 Python 绑定, Python 内建模块
  2. Boost.Python: C++ 与 Python 绑定, Boost 模块
  3. pybind11: C++11 与 Python 绑定, 减去了旧 C++ 支持,更轻量化

本文将介绍 pybind11 的环境准备与入门使用。

环境准备

pybind11 是一个 header-only 的库,换句话说,只需要 C++ 项目里直接 include pybind11 的头文件就能使用。

这里则介绍如何于 CMake 里引入 pybind11 。而更多编译系统的介绍,可见官方文档 Build systems

获取 pybind11

可以 git submodule 添加子模块,最好固定为某个版本:

git submodule add https://github.com/pybind/pybind11.git third_party/pybind11-2.5.0
cd third_party/pybind11-2.5.0/
git checkout tags/v2.5.0

或者,直接获取源码,放进相应子目录即可。

添加进 CMake

CMakeLists.txtadd_subdirectory pybind11 的路径,再用其提供的 pybind11_add_module 就能创建 pybind11 的模块了。

cmake_minimum_required(VERSION 3.1)
project(start-pybind11 VERSION 0.1.0 LANGUAGES C CXX)

set(MY_PYBIND ${MY_CURR}/third_party/pybind11-2.5.0)

add_subdirectory(${MY_PYBIND})
pybind11_add_module(example_pb example_pb.cpp)

如果想在已有 C++ 动态库上扩展 pybind11 绑定,那么 target_link_libraries 链接该动态库就可以了。

target_link_libraries(example_pb PUBLIC example)

绑定一个函数

我们先实现一个 add 函数,

int add(int i, int j) {
  return i + j;
}

为了简化工程,可以直接实现在 example_pb.cpp 里,

#include <pybind11/pybind11.h>

namespace py = pybind11;

int add(int i, int j) {
  return i + j;
}

PYBIND11_MODULE(example_pb, m) {
  m.doc() = "example_pb bindings";

  m.def("add", &add, "A function which adds two numbers");
}

之后,于 CMakeLists.txt 所在目录,执行 cmake 编译就完成了。

示例代码

绑定一个类

我们先实现一个定时触发器的类。使用如下:

#include <iostream>

#include "tick.h"

int main(int argc, char const *argv[]) {
  (void)argc;
  (void)argv;

  Tick tick(500, 5000);

  tick.SetTickEvent([&tick](std::int64_t elapsed_ms) {
    std::cout << "elapsed: " << elapsed_ms << " ms" << std::endl;
    if (elapsed_ms >= 2000) {
      tick.Stop();
    }
  });

  tick.Start();
  tick.WaitLifeOver();
  return 0;
}

运行结果:

$ ./_output/bin/cpp_thread_callback/tick_test
elapsed: 0 ms
elapsed: 500 ms
elapsed: 1000 ms
elapsed: 1500 ms
elapsed: 2000 ms

该类的声明如下:

using TickEvent = std::function<void(std::int64_t elapsed_ms)>;
using TickRunCallback = std::function<void()>;

class Tick {
 public:
  using clock = std::chrono::high_resolution_clock;

  Tick(std::int64_t tick_ms,
       std::int64_t life_ms = std::numeric_limits<std::int64_t>::max());
  Tick(TickEvent tick_event, std::int64_t tick_ms,
       std::int64_t life_ms = std::numeric_limits<std::int64_t>::max(),
       TickRunCallback run_beg = nullptr,
       TickRunCallback run_end = nullptr);
  virtual ~Tick();

  bool IsRunning() const;

  void Start();
  void Stop(bool wait_life_over = false);

  const std::chrono::time_point<clock> &GetTimeStart() const;

  void SetTickEvent(TickEvent &&tick_event);
  void SetTickEvent(const TickEvent &tick_event);

  void SetRunBegCallback(TickRunCallback &&run_beg);
  void SetRunBegCallback(const TickRunCallback &run_beg);

  void SetRunEndCallback(TickRunCallback &&run_end);
  void SetRunEndCallback(const TickRunCallback &run_end);

  void WaitLifeOver();

 protected:
  // ...
};

然后, pybind11 绑定实现如下:

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/chrono.h>
#include <pybind11/functional.h>

#include <memory>

#include "cpp/cpp_thread_callback/tick.h"

namespace py = pybind11;
using namespace pybind11::literals;  // NOLINT

PYBIND11_MODULE(tick_pb, m) {
  m.doc() = "tick_pb bindings";

  py::class_<Tick, std::shared_ptr<Tick>>(m, "Tick")
    .def(py::init<std::int64_t, std::int64_t>())
    .def(py::init<TickEvent, std::int64_t, std::int64_t,
                  TickRunCallback, TickRunCallback>())
    .def_property_readonly("is_running", &Tick::IsRunning)
    .def("start", &Tick::Start)
    .def("stop", &Tick::Stop, "wait_life_over"_a = false)
    .def("get_time_start", &Tick::GetTimeStart)
    .def("set_tick_event", [](Tick &self, const TickEvent &tick_event) {
      self.SetTickEvent(tick_event);
    })
    .def("set_run_beg_callback", [](Tick &self,
        const TickRunCallback &run_beg) {
      self.SetRunBegCallback(run_beg);
    })
    .def("set_run_end_callback", [](Tick &self,
        const TickRunCallback &run_end) {
      self.SetRunEndCallback(run_end);
    })
    .def("wait_life_over", &Tick::WaitLifeOver,
        py::call_guard<py::gil_scoped_release>());
}

编译出动态库后,把路径添加进 PYTHONPATH

export PYTHONPATH=<path>:$PYTHONPATH

# 依赖其他动态库的话,把路径添加进 LIBRARY_PATH
# Linux
export LD_LIBRARY_PATH=<path>:$LD_LIBRARY_PATH
# macOS
export DYLD_LIBRARY_PATH=<path>:$DYLD_LIBRARY_PATH

之后,就可以于 Python 里调用了:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# pylint: disable=missing-docstring, import-error
import tick_pb as tick


def _main():
  t = tick.Tick(lambda elapsed_ms: print(f"elapsed: {elapsed_ms} ms"),
                500, 1000,
                lambda: print("run beg"), lambda: print("run end"))
  t.start()
  t.wait_life_over()


if __name__ == "__main__":
  _main()

运行结果:

$ python src/pybind/cpp_thread_callback/tick_test.py
run beg
elapsed: 0 ms
elapsed: 500 ms
elapsed: 1000 ms
run end

示例代码

运行示例代码

获取代码,

git clone https://github.com/ikuokuo/start-pybind11.git

# 获取子模块
cd start-pybind11/
git submodule update --init

编译安装,

# 依赖 cmake

cd start-pybind11/
make install

编译结果,

$ tree _install
_install
├── bin
│   └── cpp_thread_callback
│       └── tick_test
└── lib
    ├── cpp_thread_callback
    │   ├── libtick.0.1.0.dylib
    │   ├── libtick.0.1.dylib -> libtick.0.1.0.dylib
    │   ├── libtick.dylib -> libtick.0.1.dylib
    │   ├── tick_pb.0.1.0.cpython-37m-darwin.so
    │   ├── tick_pb.0.1.cpython-37m-darwin.so -> tick_pb.0.1.0.cpython-37m-darwin.so
    │   └── tick_pb.cpython-37m-darwin.so -> tick_pb.0.1.cpython-37m-darwin.so
    └── first_steps
        ├── first_steps_pb.0.1.0.cpython-37m-darwin.so
        ├── first_steps_pb.0.1.cpython-37m-darwin.so -> first_steps_pb.0.1.0.cpython-37m-darwin.so
        ├── first_steps_pb.cpython-37m-darwin.so -> first_steps_pb.0.1.cpython-37m-darwin.so
        ├── libfirst_steps.0.1.0.dylib
        ├── libfirst_steps.0.1.dylib -> libfirst_steps.0.1.0.dylib
        └── libfirst_steps.dylib -> libfirst_steps.0.1.dylib

5 directories, 13 files

添加路径,

$ source setup.bash first_steps cpp_thread_callback
DYLD_LIBRARY_PATH, PYTHONPATH
+ /Users/John/Workspace/Self/ikuokuo/start-pybind11/_install/lib/first_steps
+ /Users/John/Workspace/Self/ikuokuo/start-pybind11/_install/lib/cpp_thread_callback

运行示例,

$ python src/pybind/cpp_thread_callback/tick_test.py
run beg
elapsed: 0 ms
elapsed: 500 ms
elapsed: 1000 ms
run end

结语

Go coding!

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 204,293评论 6 478
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,604评论 2 381
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,958评论 0 337
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,729评论 1 277
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 63,719评论 5 366
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 48,630评论 1 281
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 38,000评论 3 397
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 36,665评论 0 258
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 40,909评论 1 299
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,646评论 2 321
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,726评论 1 330
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 33,400评论 4 321
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,986评论 3 307
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,959评论 0 19
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,197评论 1 260
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 44,996评论 2 349
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,481评论 2 342