如何在Python中调用C/C++代码
How to mix C/C++ code in Python
本文介绍一种手动的、简单的在Python中使用C/C++代码的方式。这个方法主要使用了ctypes模块。其他的混合Python，C/C++编程的方法还有Swig 和 Boost.Python。前一种方法需要写一个接口文件（interface），而后一种需要使用庞大、深奥的boost类库，后两者适合可能适合更复杂的情况，这里只介绍第一种方法。
混合C/C++代码需要这几步：
1. 包装接口 C/C++ wrap functions up
2. 打包成共享库 Compiling C/C++ code and pack it to shared library
3. Python中导入共享库 Python imports shared library
先介绍一下北京，这里我的C++类GenomeSequence使用了模板（Template）和Memorymap，这是一个访问基因序列的类，比如如果一个生物序列是GAGTTTTATCGCTTCCATGACGCAGAAGTTAACACT… 我们的类是gs，那么gs[0] = ‘G’, gs[1]=’A’ …. 摘录相关的函数如下：
class GenomeSequence : public genomeSequenceArray
{
public:
/// Simple constructor - no implicit file open
GenomeSequence();
/// set the reference name that will be used in open()
/// \param referenceFilename the name of the reference fasta file to open
/// \return false for success, true otherwise
///
/// \sa open()
bool setReferenceName(std::string referenceFilename);
/// return the number of bases represented in this reference
/// \return count of bases
genomeIndex_t getNumberBases() const
{
return getElementCount();
}
inline char operator[](genomeIndex_t index) const
{
uint8_t val;
if (index < getNumberBases())
{
if ((index&1)==0)
{
val = ((uint8_t *) data)[index>>1] & 0xf;
}
else
{
val = (((uint8_t *) data)[index>>1] & 0xf0) >> 4;
}
}
else
{
val = baseNIndex;
}
val = isColorSpace() ? int2colorSpace[val] : int2base[val];
return val;
}
/* ........... more codes omitted ................ */
}
但实际上这些细节并不重要，重要是如何包装，我们编写GenomeSequence_wrap.cpp文件，包括对上述4个函数的封装，源码如下：
#include "GenomeSequence.h"
#include <string>
extern "C"{
GenomeSequence* GenomeSequence_new(){ return new GenomeSequence();}
bool GenomeSequence_setReferenceName(GenomeSequence* gs, char* s) {
if (!gs) return false;
std::string str = s;
//printf("Loading %s ...\n", s);
if (!gs->setReferenceName(str)){
gs->open();
} else {
printf("Loading FAIL\n");
}
return (gs->setReferenceName(str));
}
void GenomeSequence_close(GenomeSequence* gs) {if (gs) gs->close();};
int GenomeSequence_getNumBase(GenomeSequence* gs) {
if (!gs) {
printf("invalid gs\n");
return -1;
}
return (gs->getNumberBases());
}
char GenomeSequence_getBase(GenomeSequence* gs, unsigned int i) {
if (gs) {
return (*gs)[i];
};
};
}
第二步是编译，记住单个C/C++文件编译时使用-fPIC参数，最后打包的时候编译成共享库，摘录Makefile文件中片段如下：
lib: g++ -c -fPIC -I./lib GenomeSequence_wrap.c g++ -shared -Wl,-soname,libstatgen.so -o libstatgen.so lib/*.o lib/samtools/k*.o lib/samtools/bgzf.o *.o
最后一步是在Python中写一个封装类，注意前两行引入ctypes库，之后就用这个库调用包装函数就行。
注意：我在GenomeSequence类的__getitem__中使用了如何扩展Python的容器类一文中介绍的一些技巧，这样可以更灵活的使用下标来访问数组中的元素。
from ctypes import cdll
lib = cdll.LoadLibrary("./libstatgen.so")
class GenomeSequence:
def __init__ (self):
self.obj = lib.GenomeSequence_new()
def open(self, filename):
lib.GenomeSequence_setReferenceName(self.obj, filename)
def __len__ (self):
return lib.GenomeSequence_getNumBase(self.obj)
def __getitem__(self, key):
if isinstance(key, int):
return chr(lib.GenomeSequence_getBase(self.obj, key))
elif isinstance(key, slice):
return ''.join([self[x] for x in xrange(*key.indices(len(self)))])
elif isinstance(key, tuple):
return ''.join([self[i] for i in key])
def at(self, i):
return chr(lib.GenomeSequence_getBase(self.obj, i))
def close(self):
lib.GenomeSequence_close(self.obj)
if __name__ == '__main__':
gs = GenomeSequence ()
gs.open("/home/zhanxw/statgen/src/karma/test/phiX.fa");
print len(gs)
seq = [(gs.at(i)) for i in xrange(60)]
print ''.join(seq)
print gs[0:10],gs[20:30]
print gs[0:10, 20:30]
print gs[-10:]
gs.close()
print "DONE"
本文主要参考【1】。这里的方法基本重复了【1】中的步骤。写出本文中的代码在于进一步验证ctypes库可以灵活的处理C/C++和Python中的简单数据类型int, char*。