Cython--使用Cython封裝C++代碼（四）

Using C++ in Cython

Cython對C++語言的大部分特性都支持,例如:

• 可以通過new和del關鍵字在堆區動態創建和消耗對象
• 可以在棧區創建對象
• 也可以通過Cython提供的cppclass關鍵字聲明類類型
• Cython支持函數模板(template function)和類模板(template class)，函數重載
• Cython支持C++操作符重載(eg: operator+,operator[] …)

通過Cython封裝一個C++文件的大致步驟

• 1、在setup.py腳步文件中指定C++語言或指名C++源文件
• 2、創建一個或多個.pxd文件，並用cdef extern from blocks 和C++命名空間名。在每個blocks中：
  • 使用cppclass聲明類
  • 將成員變量、方法、構造方法聲明爲公有的(public)
• 3、在.pyx文件中，通過cimport導入上面的這些擴展模塊

C++ API 封裝示例:

• 1、實現一個C++ API，用於計算矩形面積的。

  • 新建頭文件Rectangle.h

    #ifndef RECTANGLE_H
    #define RECTANGLE_H
    
    namespace shapes {
        class Rectangle {
            public:
                int x0, y0, x1, y1;
                Rectangle();
                Rectangle(int x0, int y0, int x1, int y1);
                ~Rectangle();
                int getArea();
                void getSize(int* width, int* height);
                void move(int dx, int dy);
        };
    }
    
    #endif
    

  • 新建對應的類類型實現文件Rectangle.cpp

    #include "Rectangle.h"
        
    namespace shapes {
    
        // 默認構造
        Rectangle::Rectangle () {}
    
        // 有參構造
        Rectangle::Rectangle (int x0, int y0, int x1, int y1) {
            this->x0 = x0;
            this->y0 = y0;
            this->x1 = x1;
            this->y1 = y1;
        }
    
        // 析構函數
        Rectangle::~Rectangle () {}
    
        // 獲取矩形的面積
        int Rectangle::getArea () {
            return (this->x1 - this->x0) * (this->y1 - this->y0);
        }
    
        // 獲取矩形的長寬
        // Put the size in the pointer args
        void Rectangle::getSize (int *width, int *height) {
            (*width) = x1 - x0;
            (*height) = y1 - y0;
        }
    
        // 移動矩形位置
        void Rectangle::move (int dx, int dy) {
            this->x0 += dx;
            this->y0 += dy;
            this->x1 += dx;
            this->y1 += dy;
        }
    }
    

• 2、在Cython聲明上述的成員，Cython將這些聲明放在Rectangle.pxd文件，可以將它看着是Cython可讀的頭文件。

  cdef extern from "Rectangle.cpp":
      pass
  
  # Declare the class with cdef
  cdef extern from "Rectangle.h" namespace "shapes":
      cdef cppclass Rectangle:
          Rectangle() except +
          Rectangle(int, int, int, int) except +
          int x0, y0, x1, y1
          int getArea()
          void getSize(int* width, int* height)
          void move(int, int)
  

  第1~2兩行是顯示指明包含C++的代碼文件，也可以在這裏寫，再後續的.pyx文件中通過如下代碼指明也可以。

  # distutils: sources = Rectangle.cpp

• 3 最後一步，通過Cython開放Rectangle接口,新建rect.pyx文件

  # distutils: language = c++
  
  from Rectangle cimport Rectangle
  
  # Create a Cython extension type which holds a C++ instance
  # as an attribute and create a bunch of forwarding methods
  # Python extension type.
  cdef class PyRectangle:
      cdef Rectangle c_rect  # Hold a C++ instance which we're wrapping
  
      def __cinit__(self, int x0, int y0, int x1, int y1):
          self.c_rect = Rectangle(x0, y0, x1, y1)
  
      def get_area(self):
          return self.c_rect.getArea()
  
      def get_size(self):
          cdef int width, height
          self.c_rect.getSize(&width, &height)
          return width, height
  
      def move(self, dx, dy):
          self.c_rect.move(dx, dy)
  

  第一行的# distutils: language = c++是顯示告訴Cython按照C++語言編譯。

• 4 腳本編譯setup.py

  from distutils.core import setup
  
  from Cython.Build import cythonize
  
  setup(ext_modules=cythonize("rect.pyx"))
  

  編譯鏈接: python3 setup.py build_ext --inplace 生成rect.xxx.so文件

• 5 接口測試,當前目錄下終端python3或ipython3

  import rect
  x0, y0, x1, y1 = 1, 2, 3, 4
  rect_obj = rect.PyRectangle(x0, y0, x1, y1)
  print(dir(rect_obj))
  print('矩形長寬: ',rect_obj.get_size())
  #矩形長寬:  (2, 2)
  print('矩形面積: ',rect_obj.get_area())
  矩形長寬:  (2, 2)
  

  總結

  展望

  • 函數重載
  • 操作符重載
  • 模板
  • CPP標準庫
  • 靜態成員方法