高级互操作

概述

本章讲解Cython与其他语言和系统的互操作技术。高质量项目往往需要集成多种语言和库。

学习路径：CFFI集成 → C++包装 → Rust → 嵌入式Python

核心技术：

• CFFI：调用C库
• extern声明：包装C++类
• cdylib：调用Rust编译的库

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22.1 CFFI集成

CFFI基础

功能说明：使用CFFI调用C库。

import cffi

ffi = cffi.FFI()
ffi.cdef("""
    int add(int a, int b);
""")
ffi.set_source("mycffi", """
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
""")
ffi.compile()

混合使用

功能说明：在Cython中使用CFFI包装的C代码。

# 在Cython中使用CFFI包装的C代码
cdef extern from "mycffi.h":
    int add(int a, int b)

cpdef int fast_add(int a, int b):
    return add(a, b)

输出示例：

>>> from mycffi import ffi
>>> ffi.verify("int add(int a, int b) { return a + b; }")
>>> ffi.cast("int(*)(int,int)", lib.add_funcptr)

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22.2 Cython与C++

C++类包装

功能说明：在Cython中包装C++类。

cdef extern from *:
    """
    #include <string>

    class Calculator {
    public:
        int add(int a, int b) { return a + b; }
    };
    """

cdef class PyCalculator:
    cdef Calculator* _calc

    def __cinit__(self):
        self._calc = new Calculator()

    def __dealloc__(self):
        del self._calc

    cpdef int add(self, int a, int b):
        return self._calc.add(a, b)

输出示例：

>>> calc = PyCalculator()
>>> calc.add(1, 2)
3

模板处理

功能说明：包装C++ vector等模板容器。

cdef extern from "<vector>" namespace "std":
    cdef cppclass vector[T]:
        vector() except +
        void push_back(T)
        T at(int)
        int size()

cpdef void cpp_vector_demo():
    cdef vector[int]* v = new vector[int]()
    v.push_back(1)
    v.push_back(2)
    print(v.size())
    del v

输出示例：

>>> cpp_vector_demo()
2

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22.3 Rust互操作

Rust FFI基础

功能说明：编译Rust为C兼容的动态库。

lib.rs

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}

# 编译Rust库为cdylib
rustc --crate-type=cdylib -o libadd.so lib.rs

内存安全桥接

功能说明：在Cython中调用Rust编译的库。

cdef extern from "libadd.so":
    int add(int a, int b)

cpdef int rust_add(int a, int b):
    return add(a, b)

输出示例：

>>> rust_add(1, 2)
3

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22.4 嵌入式Python

C中嵌入Python

功能说明：在C程序中嵌入Python解释器。

main.c

#include <Python.h>

int main() {
    Py_Initialize();
    PyRun_SimpleString("print('Hello from Python!')");
    Py_Finalize();
    return 0;
}

# 编译
gcc -o main main.c -I/usr/include/python3.10 -lpython3.10

Cython模块

功能说明：创建可嵌入的Cython模块。

embedded.pyx

def py_function():
    import sys
    print(f"Python version: {sys.version}")
    return 42

状态管理

功能说明：管理嵌入式Python的状态。

state_manager.pyx

import sys

_state = {}

def set_global(key, value):
    _state[key] = value

def get_global(key, default=None):
    return _state.get(key, default)

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本章小结

互操作方式对比

方式	场景	复杂度
CFFI	调用C库	中
C++ extern	包装C++类	中
Rust cdylib	调用Rust库	高
嵌入式Python	脚本扩展	高

最佳实践

1. 优先使用extern声明包装C/C++
2. CFFI适合简单C库包装
3. Rust互操作注意内存安全边界
4. 嵌入式Python注意状态隔离

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练习

1. 创建简单的CFFI包装，调用C函数
2. 包装C++类（Calculator、Vector等）
3. 编译Rust库并在Cython中调用
4. 在C程序中嵌入Python解释器
5. 管理嵌入式Python的状态
6. 实现跨语言错误处理