C++调用python(一)

一、基本使用方法
二、调用简单语句
三、调用函数
四、调用类
五、调用SSD目标检测算法
六、遇到的错误

最近训练一个3D分割的模型，需要将其结合到项目中，由于项目是C++开发，而这边python训练好的模型尝试了ONNX、libtorch等转换C++也没有成功，因此考虑采用C++直接调用python代码，这里对里面用到的一些方法做一个总结，方便以后查看。

一、基本使用方法

1.1 调用步骤

  • 将数据值从C/C++转换为Python
  • 使用转换后的值对Python接口例程执行函数调用
  • 将Python调用中的数据值转换为C/C++

1.2 编译链接

使用python提供的C/C++接口，需要包含python安装目录下的头文件Python.h 编译、链接时需要指定头文件、python库的地址。
示例：

include: /home/zjh/anaconda3/envs/learn/include/python3.6m   Python.h
lib: /home/zjh/anaconda3/envs/learn/lib/  libpython3.6m.a/libpython3.6m.so

注：如果需要Numpy库的话需要找到numpy的地址，一般存放于第三方库路径下，如：

/home/zjh/anaconda3/envs/learn/lib/python3.6/site-packages/numpy/core/include/numpy   arrayobject.h

1.3 基本接口

  • 解释器
    在C/C++调用python之前必须为其指定解释器环境。
void Py_Initialize()：       
    初始化python解释器.C/C++中调用Python之前必须先初始化解释器
int Py_IsInitialized()：
    返回python解析器的是否已经初始化完成，如果已完成，返回大于0，否则返回0
void Py_Finalize() ：
    撤销Py_Initialize()和随后使用Python/C API函数进行的所有初始化，
    并销毁自上次调用Py_Initialize()以来创建并未被销毁的所有子解释器。

  • 格式转换
    在C/C++中，所有的Python类型都被声明为PyObject类型，为了让C/C++能够操作python的数据，python提供了C语言数据类型到PyObject类型的转换接口。

    • 数字/字符串
    PyObject* Py_BuildValue( const char *format, ...)
  Py_BuildValue()提供了类似c语言printf的参数构造方法，format是要构造的参数的类型列表，函数中剩余的参数即要转换的C语言中的整型、浮点型或者字符串等。
其返回值为PyObject型的指针。

    format对应的类型参见官网, 如：

    s(str或None)[char *]
使用'utf-8'编码将以null结尾的C字符串转换为Python str对象。如果C字符串指针为NULL，则表示None。

i(int)[int]
将普通的C int转换为Python整数对象。
...
    • 列表
    PyObject* PyList_New( Py_ssize_t len)
  创建一个新的Python列表，len为所创建列表的长度

int PyList_SetItem( PyObject *list, Py_ssize_t index, PyObject *item)
  向列表中添加项。当列表创建以后，可以使用PyList_SetItem()函数向列表中添加项。 list：要添加项的列表。 index：所添加项的位置索引。 item：所添加项的值。

PyObject* PyList_GetItem( PyObject *list, Py_ssize_t index)
  获取列表中某项的值。list：要进行操作的列表。index：项的位置索引。

Py_ssize_t PyList_Size(PyObject * list)
  返回列表中列表对象的长度;这相当于列表对象上的 len(list) 。

int PyList_Append( PyObject *list, PyObject *item)
int PyList_Sort( PyObject *list)
int PyList_Reverse( PyObject *list)
  Python/C API中提供了与Python中列表操作相对应的函数。例如
列表的append方法对应于PyList_Append()函数。
列表的sort方法对应于PyList_Sort()函数。
列表的reverse方法对应于PyList_Reverse()函数。
    • 元组
    PyObject* PyTuple_New( Py_ssize_t len) 
  PyTuple_New()函数返回所创建的元组。其函数原型如下所示。len：所创建元组的长度。 

int PyTuple_SetItem( PyObject *p, Py_ssize_t pos, PyObject *o) 
  当元组创建以后，可以使用PyTuple_SetItem()函数向元组中添加项。p：所进行操作的元组，pos：所添加项的位置索引，o：所添加的项值。

PyObject* PyTuple_GetItem( PyObject *p, Py_ssize_t pos)
  可以使用Python/C API中PyTuple_GetItem()函数来获取元组中某项的值。p：要进行操作的元组，pos：项的位置索引

Py_ssize_t PyTuple_Size(PyObject * p)
  获取指向元组对象的指针，并返回该元组的大小。

int _PyTuple_Resize( PyObject **p, Py_ssize_t newsize) 
  当元组创建以后可以使用_PyTuple_Resize()函数重新调整元组的大小。其函数原型如下所示。p：指向要进行操作的元组的指针，newsize：新元组的大小
    • 字典
    PyObject* PyDict_New() 
  PyDict_New()函数返回所创建的字典。


int PyDict_SetItem( PyObject *p, PyObject *key, PyObject *val) 
int PyDict_SetItemString( PyObject *p, const char *key, PyObject *val) 
  当字典创建后，可以使用PyDict_SetItem()函数和PyDict_SetItemString()函数向字典中添加项。 其参数含义如下。
p：要进行操作的字典。key：添加项的关键字，
对于PyDict_SetItem()函数其为PyObject型，
对于PyDict_SetItemString()函数其为char型，val：添加项的值。 


PyObject* PyDict_GetItem( PyObject *p, PyObject *key) 
PyObject* PyDict_GetItemString( PyObject *p, const char *key) 
  使用Python/C API中的PyDict_GetItem()函数和PyDict_GetItemString()函数来获取字典中某项的值。它们都返回项的值。
其参数含义如下。p：要进行操作的字典，key：添加项的关键字，
对于PyDict_GetItem()函数其为PyObject型
对于PyDict_GetItemString()函数其为char型。 

PyObject* PyDict_Items( PyObject *p) 
PyObject* PyDict_Keys( PyObject *p) 
PyObject* PyDict_Values( PyObject *p) 
  在Python/C API中提供了与Python中字典操作相对应的函数。例如
  字典的item方法对应于PyDict_Items()函数。
  字典的keys方法对应于PyDict_Keys()函数。
  字典的values方法对应于PyDict_Values()函数。
其参数p：要进行操作的字典。

  • 返回值解析
    python执行完返回的结果也是PyObject类型,因此需要将PyObject类型转换为C/C++类型。

int PyArg_Parse( PyObject *args, char *format, ...)
    根据format把args的值转换成c类型的值，[format](https://docs.python.org/3/c-api/arg.html)接受的类型和上述Py_BuildValue()的是一样的,
  • 释放资源
    Python使用引用计数机制对内存进行管理，实现自动垃圾回收。在Python/C API中提供了Py_CLEAR()、Py_DECREF()等宏来对引用计数进行操作。
    当使用Python/C API中的函数创建列表、元组、字典等后，就在内存中生成了这些对象的引用计数,在对其完成操作后应该使用Py_CLEAR()、Py_DECREF()等宏来销毁这些对象。
void Py_CLEAR(PyObject *o)
void Py_DECREF(PyObject *o)
其中，o的含义是要进行操作的对象。
对于Py_CLEAR()其参数可以为NULL指针，此时，Py_CLEAR()不进行任何操作。而对于Py_DECREF()其参数不能为NULL指针，否则将导致错误。

二、调用简单语句

首先编写CMakeLists.txt文件，引入python所需头文件和库文件,python版本是3.6.5。

  • CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.9)

project(helloworld)

set(SDK_VERSION 0_0_1)
# >>> build type 
set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release")				# 指定生成的版本
set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "$ENV{CXXFLAGS} -O0 -Wall -g2 -ggdb")
set(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "$ENV{CXXFLAGS} -O3 -Wall")
# <<<


# >>> CXX11 
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)				# C++ 11 编译器
SET(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED TRUE)
# <<< 


# >>> Python3 
set(PYTHON_ROOT "/home/zjh/anaconda3/envs/learn")
message("python root: " ${PYTHON_ROOT})
include_directories(${PYTHON_ROOT}/include/)
link_directories(${PYTHON_ROOT}/lib/)
# <<<

# --- generate ---
add_executable(helloworld helloworld.cpp)
target_link_libraries(helloworld -lpython3.6m)
  • helloworld.cpp
#include <python3.6m/Python.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    wchar_t *program = Py_DecodeLocale(argv[0], nullptr);
    if ( program == nullptr ){
        std::cout << "Fatal Error: cannot decode argv[0]!" << std::endl;
        return -1;
    }
    Py_SetProgramName(program);
    Py_Initialize();    ## 初始化

    PyRun_SimpleString("print('hello world!')");

    Py_Finalize();      ## 释放资源
    PyMem_RawFree(program);

    return 0;
}

将CMakeLists.txt和helloworld.cpp两个文件放在同一文件夹下，在新建build文件夹，进行编译构建，构建成功后目录下会生成helloworld可执行文件。

$ cmake..
$ make

参考链接：

https://docs.python.org/2/extending/embedding.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/79896193
https://blog.csdn.net/ziweipolaris/article/details/83689597
https://blog.csdn.net/u011681952/article/details/92765549
https://blog.csdn.net/hnlylyb/article/details/89498651

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