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浅析Python调用外部代码的三种方式（上篇）

分类： Python/Ruby

2016-09-12 11:25:34

原文地址：浅析Python调用外部代码的三种方式（上篇） 作者：timespace

一. 概述

    项目中使用Python总会由于某种原因（人力/时间/金钱等等），需要借助外部代码，幸好Python是容易扩展的语言，本文浅析三种常见扩展方式：subprocess调用外部可执行程序；ctypes调用外部DLL函数；C/C++ Extending标准库。用一个需求的三种实现方式贯穿始终，正是对应标题的“Python调用外部代码的三种方式”，该需求比“hello，world”复杂，但依然只有百行规模的代码，容易看懂，力争做好“万事开头难”中的“开头”，以后修行就看个人了，同时作为自己学习的备忘，以免隔三差五查文档或犯同样的错误。理解全文需熟悉Python和C，如果有Linux/UNIX系统编程知识更好，全文篇幅较长，不得不分三篇（上，中，下）发布，上篇包括subprocess和ctypes，中篇是C/C++ Extending，下篇包含文中所有代码压缩包的附件。

此处“外部代码”是指：
1. 本地可执行程序，通常是原生二进制文件或解释器文本文件。
2. 本地动态链接库，通常由C/C++编译而成。

先简要概括下这三种调用方式：
1. subprocess。这是一个标准库，可以运行外部程序，接口简单易用，容易跨平台。不过灵活性欠佳，因为Python无法控制外部程序的运行逻辑，只适合做简单的输入输出交互。
2. ctypes。这是一个标准库，可以加载动态链接库，借助ctypes提供的wrapper，可以方便的使用C库函数和系统调用，功能和灵活性大增，做hack的利器。不过毕竟是按照C API的方式利用这类接口，用动态解释语言去适配静态编译语言接口，别扭程度可想而知。
3. extending。这是一种实现方式，全称是Python C/C++ Extending，即用C/C++写Python模块或定制Python解释器，这是扩展Python的终极方案，可以随心所欲，将项目已有的C/C++接口包装为Python模块，或将有性能瓶颈的纯Python模块用C/C++重写，或为Python增加内置函数和对象。不过这是扩展Python中最复杂的方式，将模块与CPython绑定，而与JPython/Iron Python/PyPy无缘了，关键是“来到危险的C/C++世界”！

二. 系统要求

关于测试环境。本人的系统是Fedora 20 （Linux 3.13, gcc 4.8, Python 3.3），如果kernel/gcc/Python的版本低于我的测试环境，示例代码可能要微调。
关于C++。后文中所有出现“C”的地方，都可以用“C++”代替，实现原理不变，但本文的实现用C语法，如果要移植到C++，需要做几点语法上的调整，留给感兴趣的读者。
关于示例代码。如果先前没有接触过本文介绍的三种方式，快速进入状态的方法就是下载附件中的代码，编译运行调试修改，同时看文档找资料，示例虽简单，但属于麻雀虽小五脏俱全的类型，有助于在这三个领域中继续深入。

三. 需求描述

简单说就是监控一个目录内文件的变化（访问，打开，关闭，数据修改，属性修改，移动，删除等等），然后打印出（时间，文件名，相关事件）。方案也是现成的，直接用Linux的inotify机制，比如BSD的kqueue也提供了类似功能，但Python标准库没有inotify API，这也正好是Python需调用外部代码的场景之一。

四. subprocess调用外部可执行程序

场景。需求已由外部程序实现，Python只需要做简单输入输出的整合。

实现。

1. 准备C程序，作为外部代码。

点击(此处)折叠或打开(notify1.c)

  1. #include <limits.h>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <sys/inotify.h>
  6. #include <sys/time.h>
  7. #include <time.h>
  8. #include <unistd.h>

  10. #define EVENT_SIZE_MAX (sizeof(struct inotify_event) + NAME_MAX + 1)
  11. #define EVENT_SIZE_MIN (sizeof(struct inotify_event))
  12. #define ARRAY_SIZE(a) (sizeof(a)/sizeof(a[0]))

  14. typedef struct {
  15.     char *name;
  16.     uint32_t value;
  17. } mask_event;

  19. static const mask_event MASK_EVENTS[] = {
  20.     {"IN_ACCESS", IN_ACCESS},
  21.     {"IN_ATTRIB", IN_ATTRIB},
  22.     {"IN_CLOSE_NOWRITE", IN_CLOSE_NOWRITE},
  23.     {"IN_CLOSE_WRITE", IN_CLOSE_WRITE},
  24.     {"IN_CREATE", IN_CREATE},
  25.     {"IN_DELETE", IN_DELETE},
  26.     {"IN_DELETE_SELF", IN_DELETE_SELF},
  27.     {"IN_DONT_FOLLOW", IN_DONT_FOLLOW},
  28.     {"IN_EXCL_UNLINK", IN_EXCL_UNLINK},
  29.     {"IN_IGNORED", IN_IGNORED},
  30.     {"IN_ISDIR", IN_ISDIR},
  31.     {"IN_MASK_ADD", IN_MASK_ADD},
  32.     {"IN_MODIFY", IN_MODIFY},
  33.     {"IN_MOVED_FROM", IN_MOVED_FROM},
  34.     {"IN_MOVED_TO", IN_MOVED_TO},
  35.     {"IN_MOVE_SELF", IN_MOVE_SELF},
  36.     {"IN_ONESHOT", IN_ONESHOT},
  37.     {"IN_ONLYDIR", IN_ONLYDIR},
  38.     {"IN_OPEN", IN_OPEN},
  39.     {"IN_Q_OVERFLOW", IN_Q_OVERFLOW},
  40.     {"IN_UNMOUNT", IN_UNMOUNT}
  41. };

  43. void print_event(const char *target, const struct inotify_event *ev);

  45. int main(int argc, char *argv[])
  46. {
  47.     /* at least one event available in the buffer */
  48.     char ev_buffer[EVENT_SIZE_MAX];
  49.     ssize_t len, offset;
  50.     struct inotify_event *p = NULL;
  51.     const char *pathname = NULL;
  52.     int fd, wd;

  54.     if (argc != 2) {
  55.         fprintf(stderr, "usage: notify path\n");
  56.         exit(EXIT_FAILURE);
  57.     }
  58.     pathname = argv[1];

  60.     fd = inotify_init();
  61.     if (fd == -1) {
  62.         perror("inotify_init");
  63.         exit(EXIT_FAILURE);
  64.     }
  65.     wd = inotify_add_watch(fd, pathname, IN_ALL_EVENTS);
  66.     if (wd == -1) {
  67.         perror("inotify_add_watch");
  68.         exit(EXIT_FAILURE);
  69.     }

  71.     while (1) {
  72.         len = read(fd, ev_buffer, sizeof(ev_buffer));
  73.         if (len < (ssize_t)EVENT_SIZE_MIN) {
  74.             perror("read");
  75.             break;
  76.         }

  78.         offset = 0;
  79.         while (offset < len) {
  80.             p = (struct inotify_event*)(ev_buffer + offset);
  81.             print_event(pathname, p);
  82.             offset += sizeof(*p) + p->len;
  83.         }
  84.     }
  85.     inotify_rm_watch(fd, wd);
  86.     close(fd);

  88.     return 0;
  89. }

  91. void print_event(const char *target, const struct inotify_event *ev)
  92. {
  93.     struct timeval tv;
  94.     struct tm *lt;
  95.     const char *name = ev->len > 1 ? ev->name : target;
  96.     size_t idx;
  97.     const mask_event *me;

  99.     gettimeofday(&tv, NULL);
  100.     lt = localtime(&tv.tv_sec);
  101.     printf("%02d:%02d:%02d,%03ld file(%s) ",
  102.             lt->tm_hour, lt->tm_min, lt->tm_sec, tv.tv_usec/1000, name);
  103.     for (idx = 0; idx < ARRAY_SIZE(MASK_EVENTS); ++idx) {
  104.         me = &MASK_EVENTS[idx];
  105.         if (ev->mask & me->value) printf("%s ", me->name);
  106.     }
  107.     printf("\n");
  108. }
如果对Linux inotify API不熟悉，可以man inotify或查看在线文档。
代码行72～73：struct inotify_event表示的真实内容是变长的，但受限于系统文件名长度，可以知道最大长度EVENT_SIZE_MAX，传入的ev_buffer至少保证放入一个事件，否则在新内核（kernel 2.6.21以后）下会报错，如果有新事件，返回的len至少应该是EVENT_SIZE_MIN。
代码行85～86：这两句在测试中是没执行过的，通过终端手动CTRL+C，SIGINT直接终止进程了，系统可以保证清理进程打开的fd，此处仅为展示应有逻辑，但在一些实际要求可重入的环境下，必须考虑合理的清理操作。
代码行103～106：同一个ev下可能含有多个mask位，需要循环处理。

2. subprocess调用。主要工作被外部代码做了，Python只是简单传参和输出就OK，在交互shell演示结果。

编译上述C代码：
  1. bash-4.2 $make notify1
  2. gcc -g -O2 -Wall notify1.c -o notify1
Python shell中直接调用，监控当前目录的变化，可以看到setup.py的重命名操作：

  1. (py3) bash-4.2 $python

    Python 3.3.2 (default, Feb 11 2014, 10:35:02) 

    [GCC 4.8.2 20131212 (Red Hat 4.8.2-7)] on linux

    Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.

    >>> import subprocess

    >>> subprocess.check_call(['./notify1', '.'])

    13:29:57,856 file(setup.py) IN_MOVED_FROM 

    13:29:57,856 file(setup.py.bak) IN_MOVED_TO 

    ......

    13:30:04,402 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR 

    13:30:04,403 file(.) IN_ISDIR IN_OPEN 

    13:30:04,403 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR 

    ......

    13:30:06,555 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR 

    13:30:08,600 file(setup.py.bak) IN_MOVED_FROM 

    13:30:08,600 file(setup.py) IN_MOVED_TO 

备忘：

*** 参数“shell=True”表示调用系统shell执行命令, 如果执行内容不可控，会有重大安全隐患，避免使用。
*** pipe相关的阻塞。实践中可能会用到更复杂的交互，比如与子进程的stdin/stdout/stderr交互，此时要注意可能的死锁，下面是一个简单例子

点击(此处)折叠或打开(pipe.py)

  1. from subprocess import Popen, PIPE
  2. import itertools
  3. import sys

  5. def main():
  6.     if len(sys.argv) != 2:
  7.         sys.exit('usage: {} cnt'.format(sys.argv[0]))
  8.     cnt = int(sys.argv[1])

  10.     p = Popen('cat', shell=True, stdin=PIPE, stdout=PIPE, close_fds=True)
  11.     for e in itertools.repeat(b'x' * 1023 + b'\n', cnt):
  12.         p.stdin.write(e)
  13.     p.stdin.close()
  14.     print(len([e for e in p.stdout]))

  16. if __name__ == '__main__':
  17.     main()
程序逻辑：每次向cat的stdin写1k数据，若干次后，在从cat的stdout读取回来。如果cnt只是几十次看不出什么问题，几百次后就会发生死锁。
问题原因：内核为pipe分配的空间是有限的，目前一个pipe为64k，双向128k，加上一些用户空间缓存，处理大量数据时很容易爆掉。
解决方案：一种办法就是用另外一个进程或线程处理stdout，工作流就像shell的pipe，连续不断，不会卡壳。


五. ctypes调用外部DLL函数

场景。无可用Python模块，只好求助于C API，搞定燃眉之急。

实现。

1. 已有第四节subprocess C版本的实现，而ctypes解决问题的途径就是调用C函数，下面的Python实现就水到渠成了。

点击(此处)折叠或打开(notify2.py)

  1. from ctypes import CDLL, create_string_buffer
  2. import datetime
  3. import os
  4. import struct
  5. import sys

  7. MASK_EVENTS = [
  8.     ("IN_ACCESS", 0x00000001),
  9.     ("IN_ATTRIB", 0x00000004),
  10.     ("IN_CLOSE_NOWRITE", 0x00000010),
  11.     ("IN_CLOSE_WRITE", 0x00000008),
  12.     ("IN_CREATE", 0x00000100),
  13.     ("IN_DELETE", 0x00000200),
  14.     ("IN_DELETE_SELF", 0x00000400),
  15.     ("IN_DONT_FOLLOW", 0x02000000),
  16.     ("IN_EXCL_UNLINK", 0x04000000),
  17.     ("IN_IGNORED", 0x00008000),
  18.     ("IN_ISDIR", 0x40000000),
  19.     ("IN_MASK_ADD", 0x20000000),
  20.     ("IN_MODIFY", 0x00000002),
  21.     ("IN_MOVED_FROM", 0x00000040),
  22.     ("IN_MOVED_TO", 0x00000080),
  23.     ("IN_MOVE_SELF", 0x00000800),
  24.     ("IN_ONESHOT", 0x80000000),
  25.     ("IN_ONLYDIR", 0x01000000),
  26.     ("IN_OPEN", 0x00000020),
  27.     ("IN_Q_OVERFLOW", 0x00004000),
  28.     ("IN_UNMOUNT", 0x00002000),
  29. ]
  30. IN_ALL_EVENTS = 0x00000fff

  32. # Maximum length of a filename. not including the terminating null
  33. NAME_MAX = os.pathconf('.', 'PC_NAME_MAX')
  34. # unpack inotify_event
  35. EV_FMT = struct.Struct('@i3I')
  36. # limit of inotify_event
  37. EV_LEN_MAX = EV_FMT.size + NAME_MAX + 1
  38. EV_LEN_MIN = EV_FMT.size

  40. def print_event(filename, mask):
  41.     now = datetime.datetime.now()
  42.     print('{:02}:{:02}:{:02},{:03} file({file}) {mask}'.format(
  43.             now.hour, now.minute, now.second, now.microsecond//1000,
  44.             file=str(filename, 'utf-8'),
  45.             mask=' '.join(k for k,v in MASK_EVENTS if mask & v)))

  47. def main():
  48.     if len(sys.argv) != 2:
  49.         sys.exit('usage: {} path'.format(sys.argv[0]))
  50.     pathname = bytes(sys.argv[1], 'utf-8')
  51.     libc = CDLL('libc.so.6')

  53.     fd = libc.inotify_init(None)
  54.     if fd == -1:
  55.         libc.perror(b'inotify_init')
  56.         sys.exit()
  57.     wd = libc.inotify_add_watch(fd, pathname, IN_ALL_EVENTS)
  58.     if wd == -1:
  59.         libc.perror(b'inotify_add_watch')
  60.         sys.exit()

  62.     ev_buffer = create_string_buffer(EV_LEN_MAX)
  63.     while True:
  64.         ret = libc.read(fd, ev_buffer, EV_LEN_MAX)
  65.         if ret < EV_LEN_MIN:
  66.             libc.perror(b'read')
  67.             break

  69.         offset = 0
  70.         while offset < ret:
  71.             wd, mask, cookie, elen = EV_FMT.unpack_from(ev_buffer, offset)
  72.             offset += EV_FMT.size
  73.             filename = ev_buffer[offset: offset + elen].rstrip(b'\x00')
  74.             print_event(filename if filename else pathname, mask)
  75.             offset += elen

  77.     libc.inotify_rm_watch(fd, wd)
  78.     libc.close(fd)

  80. if __name__ == '__main__':
  81.     main()
2. 代码分析。因为本文是讨论“Python调用外部代码”，而这是第一个Python和外部代码有多次交互的例子，需要分析几个关键的地方。不管Python和C语法上的差异，大家可能注意到一些实现细节的改变，这些地方恰好能体现出ctypes功能与局限。
行7～30：定义了所有mask的名称和数值，对比C实现的那个相似结构，这里hardcode了数值，因为Python不认识C的宏定义，这些数值只能人肉从inotify.h中提取，如果实践中遇到更复杂的头文件，而所需要的常量包含在众多的条件编译选项中，建议还是写几行C代码来提取这些数值。
行32～38：依然在处理C中的常量，C的NAME_MAX通过Python的os提取，C的struct inotify_event成员分布可以由Python的struct模拟，初步可以看出ctypes的代价了，如果这类常量定义有任何改变，C实现只要一次重编就搞定，Python实现就是噩梦了！
行51：加载glibc，搜索规则与C的dlopen一样，含有“/”则按照路径检索，否则通过程序代码段（DT_RPATH，gcc编译时指定）-->环境变量（LD_LIBRARY_PATH）-->系统库（/lib, /usr/lib），其实中间还有其他环节，但实践中通过这三个层次应该定位到自己的DLL了。
行57：Python bytes对应C const char *，所以此处pathname必须提前从str转换为bytes。
行64：read系统调用的ev_buffer会写入内容，Python没有内置类型可以容易转换为这种结构，所以ctypes定义了create_string_buffer。
行73：提取struct inotify_event的name成员时，要去掉末尾由于地址对齐填充的‘\0’字节。

3. 输出分析。功能上与第四节的C版本完全一致，只是此处观察目录中几个不同的事件，用make在目录中编译C版本实现，用Python实现观察目录内文件变化。
  1. (py3) bash-4.2 $python notify2.py .
  2. 22:22:35,739 file(.) IN_ISDIR IN_OPEN
  3. 22:22:35,739 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR
  4. 22:22:44,038 file(.) IN_ISDIR IN_OPEN
  5. 22:22:44,038 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR
  6. 22:22:44,038 file(Makefile) IN_OPEN
  7. 22:22:44,038 file(Makefile) IN_ACCESS
  8. 22:22:44,038 file(Makefile) IN_CLOSE_NOWRITE
  9. 22:22:44,850 file(notify1.c) IN_OPEN
  10. 22:22:44,850 file(notify1.c) IN_ACCESS
  11. 22:22:44,850 file(notify1.c) IN_CLOSE_NOWRITE
  12. 22:22:47,223 file(notify1) IN_CREATE
  13. 22:22:47,223 file(notify1) IN_OPEN
  14. 22:22:47,429 file(notify1) IN_CLOSE_WRITE
  15. 22:22:47,438 file(notify1) IN_OPEN
  16. 22:22:47,438 file(notify1) IN_MODIFY
  17. 22:22:47,438 file(notify1) IN_MODIFY
  18. ......
  19. 22:22:47,441 file(notify1) IN_ACCESS
  20. 22:22:47,441 file(notify1) IN_MODIFY
  21. 22:22:47,441 file(notify1) IN_CLOSE_WRITE
  22. 22:22:47,441 file(notify1) IN_ATTRIB
  23. 22:23:07,730 file(.) IN_ISDIR IN_OPEN
  24. 22:23:07,730 file(.) IN_CLOSE_NOWRITE IN_ISDIR
  25. 22:23:07,730 file(Makefile) IN_OPEN
  26. 22:23:07,730 file(Makefile) IN_ACCESS
  27. 22:23:07,730 file(Makefile) IN_CLOSE_NOWRITE
  28. 22:23:07,731 file(notify1) IN_DELETE
上面的输出就是在另一个窗口先后执行make notify1和make clean的结果，很容易猜到gcc生成目标文件的最后一步就是修改可执行权限（22:22:47,441 file(notify1) IN_ATTRIB）

备忘：

*** int，str，bytes可以直接传入到C API，int会做适当的类型转换，str对应const wchar_t *，bytes对应const char *，其他一切Python类型，都要转换为ctypes的类型才能传入C API
*** Python的Immutable类型规则（特别是str，bytes），也要被C API遵守，比如bytes对应的const char *而不能是char *，违反了该规则不见得立即有问题，就像C的缓冲期溢出和内存泄漏，但可能出问题的地方必将出现问题，出来混总是要还的。


（更多内容参见中篇）

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