Python 与 C++ 语言

C++ 语言是对 C 语言的扩展，两者常被视为一个整体，集成于同一编译环境之中——你只须将一个 C 程序的文件后缀由 .c 改为 .cpp，它就成了 C++ 程序。C++ 在 C 语法之上增加了许多高级特性，运行效率相近而更加灵活多变，因此其应用领域也更为广阔。

Cpp.png

下面来看一个 C++ 程序示例 myclass.cpp——这段源码首先包含了 C++ 标准库的“输入输出流”头文件，能够更方便地读入数据并打印结果（可以对照之前 C 代码的输入输出方式）；随后定义了一个“圆”类，用一个私有成员变量表示半径，并用两个公有成员函数分别计算面积和周长（可以对照 Python 中定义类及创建实例的语法）：

#include <iostream>
const double PI = 3.14159;
class Circle
{
  private:
    double r;
  public:
    Circle(double r_)
    {
        r = r_;
    }
    double area()
    {
        return PI * r * r;
    }
    double perimiter()
    {
        return 2 * PI * r;
    }
};
int main()
{
    double r;
    std::cout << "请输入圆的半径：";
    std::cin >> r;
    Circle c = Circle(r);
    std::cout << "圆的面积为：" << c.area() << std::endl;
    std::cout << "圆的周长为：" << c.perimiter() << std::endl;
}

你已经知道 Python 能够使用 C/C++ 共享库，实际上 C/C++ 还可以编写 Python 专用共享库也就是扩展模块——让我们来尝试一下，首先新建文件 mymath.cpp：

/* C/C++编写Python扩展模块示例
需要包含Python提供的头文件，例如VSCode应添加以下配置
"C_Cpp.default.includePath": ["~/miniconda3/include/python3.7m"],
*/
#include <Python.h>
/* 计算斐波纳契数列的项 */
int cFib(int n)
{
    if (n < 2)
        return n;
    return cFib(n - 1) + cFib(n - 2);
}
/* Python函数 */
static PyObject *fib(PyObject *self, PyObject *args)
{
    int n;
    if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &n))
        return NULL;
    return Py_BuildValue("i", cFib(n));
}
/* Python方法列表 */
static PyMethodDef module_methods[] = {
    {"fib", fib, METH_VARARGS, "calculates the fibonachi number"},
    {NULL, NULL, 0, NULL}};
/* Python模块 */
static struct PyModuleDef mymath =
    {
        PyModuleDef_HEAD_INIT,
        "mymath",        /* 模块名 */
        "mymath module", /* 模块文档字符串 */
        -1,              /* 保持全局状态 */
        module_methods};
/* Python模块初始化 */
PyMODINIT_FUNC PyInit_mymath()
{
    return PyModule_Create(&mymath);
}

以上源码其实只用了 C 语法。第一行指令是包含官方 Python/C API 的头文件；第一个函数 cFib 实现具体功能——递归地计算斐波那契数列的项：第一项为 0，第二项为 1，之后每一项都是其前面两项的和；其余函数都是按照规范来定义模块的信息。接下来新建文件 setup.py：

from distutils.core import setup, Extension
mymath = Extension('mymath', sources=['mymath.cpp'])
setup(ext_modules=[mymath])

输入以下命令即可调用编译器在当前目录下生成扩展模块文件，注意：在 Windows 下需要 Visual C++ Build Tools http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=691126

python setup.py build_ext --inplace  # 执行时会提示实际调用的编译命令

最后在交互模式下测试：

In [1]: import mymath

In [2]: mymath.fib?
Docstring: calculates the fibonachi number
Type:      builtin_function_or_method

In [3]: [mymath.fib(i) for i in range(10)]
Out[3]: [0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34]

说起交互模式，其实 C/C++ 也可以有交互模式，而且还支持我们刚接触过的 Jupyter，如果需要就请安装 Cling https://github.com/root-project/cling

Cpp_Jupyter.png

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