Python与C++混合编程可以实现两种语言的优势结合，C++的程序性能很高且支持强大的系统调用能力，Python则生态丰富且开发效率高。本章将基于Python3讲述Python与C++混合编程的技术。
1. Python简介
1.1. 什么是Python？
Python是一种高级编程语言，具有简洁易读的语法和强大的功能。它于 1991 年由 Guido van Rossum 首次发布，快速发展成为一种广泛使用的编程语言。它是一种动态脚本语言，崇尚优美、清晰、简单的语法。
Python具有以下一些特性：
- 跨平台：语言级别跨平台，几乎可以在各个平台间无缝切换，如 Windows、macOS 和 Linux等。
- 生态丰富：拥有众多的标准库和第三方库，且拥有优秀的包管理机制。
- 多范式编程： 支持多种编程范式，包括面向对象编程、过程式编程和函数式编程。
- 应用广泛：Python 被广泛应用于科学计算、数据分析、人工智能、网络开发、自动化测试等领域。
1.2. 常见数据类型
Python是一种动态语言，变量的定义不需要在前面加类型说明，而且不同类型之间可以方便地相互转换。如下示例代码：
a = "124"
print("a:", a, "type:", type(a))
b = int(a)
print("b:", b, "type:", type(b))执行结果：
a: 124 type: <class 'str'>
b: 124 type: <class 'int'>Python3中有六个标准的数据类型：
- Numbers（数字）
- String（字符串）
- List（列表）
- Tuple（元组）
- Dictionary（字典）
- Set（集合）
其中List、Tuple、Dictionary、Set为容器。Python支持四种不同的数字类型：int(有符号整型)、float(浮点型)、bool(布尔型)、complex(复数)。（说明：Python3中已去除long类型，与int类型合并）。
Python具有以下常用的数据类型转换函数：
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| int(x [,base]) | 将x转换为一个整数。base为可选参数，表示进制数，默认十进制。 |
| float(x) | 将x转换到一个浮点数 |
| complex(real [,imag]) | 创建一个复数。imag为可选参数，表示虚数部分 |
| str(x) | 将对象 x 转换为字符串 |
| tuple(s) | 将序列 s 转换为一个元组 |
| list(s) | 将序列 s 转换为一个列表 |
| set(s) | 转换为可变集合 |
| dict(d) | 创建一个字典。d 必须是一个 (key, value)元组序列。 |
| frozenset(s) | 转换为不可变集合 |
| chr(x) | 将一个整数转换为一个字符 |
| ord(x) | 将一个字符转换为它的整数值 |
| hex(x) | 将一个整数转换为一个十六进制字符串 |
| oct(x) | 将一个整数转换为一个八进制字符串 |
1.3. 环境说明
本章所有的示例代码都是使用Python3进行编写，具体的环境如下：
- 操作系统: Ubuntu 24.04
- Python: 3.12.3
- 开发工具：VSCode
2. 开发环境搭建
2.1. Windows
- 下载最新版本的安装包，官网下载地址： https://www.python.org/downloads/。
点击安装包，根据提示一步一步操作即可，只需要注意以下两点：
- 勾选
Add python.exe to PATH将Python添加到环境变量
- 如果要自定义安装路径，第一步需要选择
Customize installation(如上图所示),然后Advaned options页面选择对于的安装路径（如下图）。
- 勾选
- 安装完后打开命令提示符，然后输入
python -V，如果显示对应的版本号，则说明安装成功。
2.2. Linux(Ubuntu)
# 1. 更新软件包列表
sudo apt update
# 2. 安装python3
sudo apt install python3
# 3. 验证python3是否安装成功，如果显示对应的版本号则说明安装成功。
python3 -V
# 4. 安装python3开发包
sudo apt install python3-dev
# 验证python3-dev是否安装成功，如果能看到相关的包信息则说明安装成功。
dpkg -l | grep python3-dev2.3. macOS
# 前期准备：安装Homebrew
# 执行`brew -v`检查Homebrew是否安装，如果未安装，执行以下命令安装
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"
# 1. 更新软件包列表
brew update
# 2. 安装python
brew install python
# 3. 验证版本号，如何显示对应的版本号则说明安装成功。
python3 -V3. Python/C API
3.1. 什么是Python/C API？
Python/C API是Python官方提供的一套API接口，允许开发者使用 C/C++ 语言来扩展Python。这个接口使得开发者可以在 C/C++ 语言中编写模块，这些模块可以被 Python 程序调用，从而执行更高效的计算，或者访问操作系统级别的资源。Python/C API也支持在C/C++中调用Python的模块代码，从而实现跨语言的混合编程。
官方文档：https://docs.python.org/3.8/c-api/index.html#c-api-index
3.2. C++调用Python模块
py_math.py:
def add(a: int, b: int):
res = a + b
return res
def sub(a: int, b: int):
return a - bcpp_call_python.cpp:
#include <Python.h>
#include <cstdint>
#include <iostream>
int32_t add_from_python(int32_t a, int32_t b, int32_t& res)
{
PyObject* pModuleName = PyUnicode_FromString("py_math");
if (!pModuleName)
{
PyErr_Print();
return -1;
}
// 导入模块
PyObject* pModule = PyImport_Import(pModuleName);
if (!pModule)
{
PyErr_Print();
Py_DECREF(pModuleName);
return -1;
}
/* great_module.great_function */
PyObject* pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "add");
if (!pFunc || !PyCallable_Check(pFunc))
{
PyErr_Print();
Py_DECREF(pModule);
Py_DECREF(pModuleName);
return -1;
}
// 设置参数
PyObject* pArgs = PyTuple_Pack(
2,
PyLong_FromLong(a),
PyLong_FromLong(b)
);
if (!pArgs)
{
PyErr_Print();
Py_DECREF(pFunc);
Py_DECREF(pModule);
Py_DECREF(pModuleName);
return -1;
}
// 调用函数
PyObject* pValue = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
if (!pValue)
{
PyErr_Print();
Py_DECREF(pFunc);
Py_DECREF(pModule);
Py_DECREF(pModuleName);
return -1;
}
// 获取结果
res = PyLong_AsLong(pValue);
Py_DECREF(pValue);
Py_DECREF(pFunc);
Py_DECREF(pModule);
Py_DECREF(pModuleName);
return 0;
}
int main()
{
// 1. 初始化 Python 解释器
Py_Initialize();
// 2. 调用 Python 代码
int32_t result = 0;
auto ret = add_from_python(3, 2, result);
if (ret < 0)
{
std::cerr << "add_from_python error ret:" << ret << std::endl;
}
else
{
std::cout << "3 + 2 = " << result << std::endl;
}
// 3. 结束 Python 解释器
Py_Finalize();
return 0;
}编译和执行：
# 编译
g++ -g cpp_call_python.cpp -o cpp_call_python -I /usr/include/python3.12 -lpython3.12
# 运行
./cpp_call_python
3 + 2 = 5常见问题和解决策略：
如果出现找不到module的错误：ModuleNotFoundError: No module named 'py_math。需要设置PYTHONPATH环境变量，设置方法如下：
# 1. vim打开.zshrc(如果你的SHELL用的是.bashrc，替换成相应的.bashrc)
vim ~/.zshrc
# 2. 在文件末尾添加如下内容
export PYTHONPATH=.:$PYTHONPATH
# 3. 重新加载配置
source ~/.zshrc上面第2步表示将程序执行的当前目录加到PYTHONPATH环境变量中。
3.3. Python调用C++模块
cpp_math.cpp:
#include <Python.h>
#include <cstdint>
#include <iostream>
int32_t add(int32_t a, int32_t b)
{
return a + b;
}
static PyObject* _add(PyObject* self, PyObject* args)
{
int32_t _a;
int32_t _b;
int32_t res;
// 将Python的参数转换为C++的参数
if (!PyArg_ParseTuple(args, "ii", &_a, &_b))
return NULL;
// 调用add函数
res = add(_a, _b);
// 将C++的返回值转换为Python的返回值
return PyLong_FromLong(res);
}
static PyMethodDef MathModuleMethods[] = { { "add", _add, METH_VARARGS, "" },
{ NULL, NULL, 0, NULL } };
static struct PyModuleDef MathModule = { PyModuleDef_HEAD_INIT,
"cpp_math", // 模块名称
NULL, // 模块文档
-1, // 模块状态
MathModuleMethods };
// (C扩展)模块初始化
PyMODINIT_FUNC PyInit_cpp_math(void)
{
// 创建模块对象
return PyModule_Create(&MathModule);
}python_call_cpp.py:
from cpp_math import add
print("3 + 2 =", add(3, 2))编译和执行：
# 编译
g++ -fPIC -shared cpp_math.cpp -o cpp_math.so -I /usr/include/python3.12 -lpython3.12
# 运行
python ./python_call_cpp.py
3 + 2 = 5关键代码说明：
PyArg_ParseTuple的用法
- 第一个参数：是Python的参数列表，是一个Tuple类型。
第二个参数：是一个字符串，表示要解析的参数的数据类型，有几个参数就写几个标识符，如：有int和float两个参数，就写"if""。数据类型标识和类型的对应关系如下：
- i：表示将参数解析为 int 类型
- f：表示将参数解析为 float 类型
- s：表示将参数解析为 char*（字符串）类型
- O：表示将参数解析为 PyObject* 类型
- 之后的参数：第二个参数之后的是可变参数，填写对应的参数值或变量。
3.4. 数据类型转换
Python/C API提供了一系列用于Python和C/C++之间数据类型转换的函数，它们之间的对应关系如下：
| Python --> C/C++ | C/C++ --> Python | 备注 |
|---|---|---|
| PyLong_AsLong | PyLong_FromLong | 对应C++long类型的转换 |
| PyLong_AsUnsignedLong | PyLong_FromUnsignedLong | 对应C++ unsigned long类型的转换 |
| PyUnicode_AsUTF8AndSize | PyUnicode_FromString | 对应C++ const char *类型的转换 |
| PyFloat_AsDouble | PyFloat_FromDouble | 对应C++ double类型的转换 |
历史文章推荐：
大家好，我是陌尘。
IT从业10年+, 北漂过也深漂过，目前暂定居于杭州，未来不知还会飘向何方。
搞了8年C++，也干过2年前端；用Python写过书，也玩过一点PHP，未来还会折腾更多东西，不死不休。
感谢大家的关注，期待与你一起成长。
python
**粗体** _斜体_ [链接](http://example.com) `代码` - 列表 > 引用。你还可以使用@来通知其他用户。