以下讨论中，Python指它的标准实现，即CPython（虽然不是很严格）
本文分4个部分
C/C++ 调用 Python （基础篇）— 仅讨论Python官方提供的实现方式
Python 调用 C/C++ （基础篇）— 仅讨论Python官方提供的实现方式
C/C++ 调用 Python （高级篇）— 使用 Cython
Python 调用 C/C++ （高级篇）— 使用 SWIG
练习本文中的例子，需要搭建Python扩展开发环境。具体细节见搭建Python扩展开发环境 - 蛇之魅惑 - 知乎专栏
1 C/C++ 调用 Python（基础篇）
Python 本身就是一个C库。你所看到的可执行体python只不过是个stub。真正的python实体在动态链接库里实现，在Windows平台上，这个文件位于 %SystemRoot%\System32\python27.dll。
你也可以在自己的程序中调用Python，看起来非常容易：
//my_python.c
#include <Python.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
Py_SetProgramName(argv[0])
Py_Initialize()
PyRun_SimpleString("print 'Hello Python!'\n")
Py_Finalize()
return 0
}
在Windows平台下，打开Visual Studio命令提示符，编译命令为
cl my_python.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib
在Linux下编译命令为
gcc my_python.c -o my_python -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7
在Mac OS X 下的编译命令同上
产生可执行文件后，直接运行，结果为输出
Hello Python!
Python库函数PyRun_SimpleString可以执行字符串形式的Python代码。
虽然非常简单，但这段代码除了能用C语言动态生成一些Python代码之外，并没有什么用处。我们需要的是C语言的数据结构能够和Python交互。
下面举个例子，比如说，有一天我们用Python写了一个功能特别强大的函数：
def great_function(a):
return a + 1
接下来要把它包装成C语言的函数。我们期待的C语言的对应函数应该是这样的：
int great_function_from_python(int a) {
int res
// some magic
return res
}
首先，复用Python模块得做‘import’，这里也不例外。所以我们把great_function放到一个module里，比如说，这个module名字叫 great_module.py
接下来就要用C来调用Python了，完整的代码如下：
#include <Python.h>
int great_function_from_python(int a) {
int res
PyObject *pModule,*pFunc
PyObject *pArgs, *pValue
/* import */
pModule = PyImport_Import(PyString_FromString("great_module"))
/* great_module.great_function */
pFunc = PyObject_GetAttrString(pModule, "great_function")
/* build args */
pArgs = PyTuple_New(1)
PyTuple_SetItem(pArgs,0, PyInt_FromLong(a))
/* call */
pValue = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs)
res = PyInt_AsLong(pValue)
return res
}
从上述代码可以窥见Python内部运行的方式：
所有Python元素，module、function、tuple、string等等，实际上都是PyObject。C语言里操纵它们，一律使用PyObject *。
Python的类型与C语言类型可以相互转换。Python类型XXX转换为C语言类型YYY要使用PyXXX_AsYYY函数；C类型YYY转换为Python类型XXX要使用PyXXX_FromYYY函数。
也可以创建Python类型的变量，使用PyXXX_New可以创建类型为XXX的变量。
若a是Tuple，则a[i] = b对应于 PyTuple_SetItem(a,i,b)，有理由相信还有一个函数PyTuple_GetItem完成取得某一项的值。
不仅Python语言很优雅，Python的库函数API也非常优雅。
现在我们得到了一个C语言的函数了，可以写一个main测试它
#include <Python.h>
int great_function_from_python(int a)
int main(int argc, char *argv[]) {
Py_Initialize()
printf("%d",great_function_from_python(2))
Py_Finalize()
}
编译的方式就用本节开头使用的方法。
在Linux/Mac OSX运行此示例之前，可能先需要设置环境变量：
bash:
export PYTHONPATH=.:$PYTHONPATH
csh:
setenv PYTHONPATH .:$PYTHONPATH
2 Python 调用 C/C++（基础篇）
这种做法称为Python扩展。
比如说，我们有一个功能强大的C函数：
int great_function(int a) {
return a + 1
}
期望在Python里这样使用：
>>>from great_module import great_function
>>>great_function(2)
3
考虑最简单的情况。我们把功能强大的函数放入C文件 great_module.c 中。
#include <Python.h>
int great_function(int a) {
return a + 1
}
static PyObject * _great_function(PyObject *self, PyObject *args)
{
int _a
int res
if (!PyArg_ParseTuple(args, "i", &_a))
return NULL
res = great_function(_a)
return PyLong_FromLong(res)
}
static PyMethodDef GreateModuleMethods[] = {
{
"great_function",
_great_function,
METH_VARARGS,
""
},
{NULL, NULL, 0, NULL}
}
PyMODINIT_FUNC initgreat_module(void) {
(void) Py_InitModule("great_module", GreateModuleMethods)
}
除了功能强大的函数great_function外，这个文件中还有以下部分：
包裹函数_great_function。它负责将Python的参数转化为C的参数（PyArg_ParseTuple），调用实际的great_function，并处理great_function的返回值，最终返回给Python环境。
导
出表GreateModuleMethods。它负责告诉Python这个模块里有哪些函数可以被Python调用。导出表的名字可以随便起，每一项有4
个参数：第一个参数是提供给Python环境的函数名称，第二个参数是_great_function，即包裹函数。第三个参数的含义是参数变长，第四个
参数是一个说明性的字符串。导出表总是以{NULL, NULL, 0, NULL}结束。
导出函数initgreat_module。这个的名字不是任取的，是你的module名称添加前缀init。导出函数中将模块名称与导出表进行连接。
在Windows下面，在Visual Studio命令提示符下编译这个文件的命令是
cl /LD great_module.c /o great_module.pyd -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib
/LD 即生成动态链接库。编译成功后在当前目录可以得到 great_module.pyd（实际上是dll）。这个pyd可以在Python环境下直接当作module使用。
在Linux下面，则用gcc编译：
gcc -fPIC -shared great_module.c -o great_module.so -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7
在当前目录下得到great_module.so，同理可以在Python中直接使用。
本部分参考资料
《Python源码剖析-深度探索动态语言核心技术》是系统介绍CPython实现以及运行原理的优秀教程。
Python 官方文档的这一章详细介绍了C/C++与Python的双向互动Extending and Embedding the Python Interpreter
关于编译环境，本文所述方法仅为出示原理所用。规范的方式如下：3. Building C and C++ Extensions with distutils
作为字典使用的官方参考文档 Python/C API Reference Manual
用以上的方法实现C/C++与Python的混合编程，需要对Python的内部实现有相当的了解。接下来介绍当前较为成熟的技术Cython和SWIG。
3 C/C++ 调用 Python（使用Cython）
在
前面的小节中谈到，Python的数据类型和C的数据类型貌似是有某种“一一对应”的关系的，此外，由于Python（确切的说是CPython）本身是
由C语言实现的，故Python数据类型之间的函数运算也必然与C语言有对应关系。那么，有没有可能“自动”的做替换，把Python代码直接变成C代码
呢？答案是肯定的，这就是Cython主要解决的问题。
安装Cython非常简单。Python 2.7.9以上的版本已经自带easy_install：
easy_install -U cython
在Windows环境下依然需要Visual
Studio，由于安装的过程需要编译Cython的源代码，故上述命令需要在Visual
Studio命令提示符下完成。一会儿使用Cython的时候，也需要在Visual
Studio命令提示符下进行操作，这一点和第一部分的要求是一样的。
继续以例子说明：
#great_module.pyx
cdef public great_function(a,index):
return a[index]
这其中有非Python关键字cdef和public。这些关键字属于Cython。由于我们需要在C语言中使用
“编译好的Python代码”，所以得让great_function从外面变得可见，方法就是以“public”修饰。而cdef类似于Python的
def，只有使用cdef才可以使用Cython的关键字public。
这个函数中其他的部分与正常的Python代码是一样的。
接下来编译 great_module.pyx
cython great_module.pyx
得到great_module.h和great_module.c。打开great_module.h可以找到这样一句声明：
__PYX_EXTERN_C DL_IMPORT(PyObject) *great_function(PyObject *, PyObject *)
写一个main使用great_function。注意great_function并不规定a是何种类型，它的
功能只是提取a的第index的成员而已，故使用great_function的时候，a可以传入Python
String，也可以传入tuple之类的其他可迭代类型。仍然使用之前提到的类型转换函数PyXXX_FromYYY和PyXXX_AsYYY。
//main.c
#include <Python.h>
#include "great_module.h"
int main(int argc, char *argv[]) {
PyObject *tuple
Py_Initialize()
initgreat_module()
printf("%s\n",PyString_AsString(
great_function(
PyString_FromString("hello"),
PyInt_FromLong(1)
)
))
tuple = Py_BuildValue("(iis)", 1, 2, "three")
printf("%d\n",PyInt_AsLong(
great_function(
tuple,
PyInt_FromLong(1)
)
))
printf("%s\n",PyString_AsString(
great_function(
tuple,
PyInt_FromLong(2)
)
))
Py_Finalize()
}
编译命令和第一部分相同：
在Windows下编译命令为
cl main.c great_module.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib
在Linux下编译命令为
gcc main.c great_module.c -o main -I/usr/include/python2.7/ -lpython2.7
这个例子中我们使用了Python的动态类型特性。如果你想指定类型，可以利用Cython的静态类型关键字。例子如下：
#great_module.pyx
cdef public char great_function(const char * a,int index):
return a[index]
cython编译后得到的.h里，great_function的声明是这样的：
__PYX_EXTERN_C DL_IMPORT(char) great_function(char const *, int)
很开心对不对！
这样的话，我们的main函数已经几乎看不到Python的痕迹了：
//main.c
#include <Python.h>
#include "great_module.h"
int main(int argc, char *argv[]) {
Py_Initialize()
initgreat_module()
printf("%c",great_function("Hello",2))
Py_Finalize()
}
在这一部分的最后我们给一个看似实用的应用（仅限于Windows）：
还是利用刚才的great_module.pyx，准备一个dllmain.c：
#include <Python.h>
#include <Windows.h>
#include "great_module.h"
extern __declspec(dllexport) int __stdcall _great_function(const char * a, int b) {
return great_function(a,b)
}
BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hinstDLL,DWORD fdwReason,LPVOID lpReserved) {
switch( fdwReason ) {
case DLL_PROCESS_ATTACH:
Py_Initialize()
initgreat_module()
break
case DLL_PROCESS_DETACH:
Py_Finalize()
break
}
return TRUE
}
在Visual Studio命令提示符下编译：
cl /LD dllmain.c great_module.c -IC:\Python27\include C:\Python27\libs\python27.lib
会得到一个dllmain.dll。我们在Excel里面使用它，没错，传说中的Excel与Python混合编程：
参考资料：Cython的官方文档，质量非常高：
Welcome to Cython’s Documentation
Cython是Python的一个超集，结合了Python的易用性和原生代码的速度，可以编译成C语言，产生的性能提升可以从几个百分点到几个数量级，具体取决于手头的任务。
使用Cython，你可以避开Python的许多原生限制，或者完全超越Python，而无需放弃Python的简便性和便捷性。
Python代码可以直接调用C模块。这些C模块可以是通用的C库或专门为Python工作的库。Cython生成第二种类型的模块：与Python内部对话的C库，可以与现有的Python代码绑定在一起。
Cython代码在设计上看起来很像Python代码。如果你给Cython编译器提供了一个Python程序，它将会按原样接受它，但是Cython的原生加速器都不会起作用。但是如果你用Cython的特殊语法来修饰Python代码，那么Cython就可以用快速的C代替慢的Python对象。
请注意，Cython的方法是渐进的。这意味着开发人员可以从现有的Python应用程序开始，通过对代码立刻进行更改来加快速度，而不是从头开始重写整个应用程序。
这种方法通常与软件性能问题的性质相吻合。在大多数程序中，绝大多数CPU密集型代码都集中在一些热点上，也就是帕累托原则的一个版本，也被称为“80/20”规则。因此，Python应用程序中的大部分代码不需要进行性能优化，只需要几个关键部分。你可以逐渐将这些热点转换为Cython，从而获得你最需要的性能提升。程序的其余部分可以保留在Python中，以方便开发人员。
相关推荐：《Python入门教程》
Cython优势
除了能够加速已经编写的代码之外，Cython还具有其他几个优点：
使用外部C库可以更快
像NumPy这样的Python软件包可以在Python界面中打包C库，使它们易于使用。但是，这些包在Python和C之间来回切换会减慢速度。Cython可以让你直接与底层库进行通信，而不需要Python（也支持C ++库）。
可以同时使用C和Python内存管理
如果你使用Python对象，它们就像在普通的Python中一样被内存管理和垃圾收集。但是如果你想创建和管理自己的C级结构，并使用malloc/free来处理它们，你可以这样做，只记得自己清理一下。
可以根据需要选择安全性或速度
Cython通过decorator 和编译器指令（例如@boundscheck（False））自动执行对C中弹出的常见问题的运行时检查，例如对数组的超出边界访问。因此，由Cython生成的C代码默认比手动C代码安全得多。
如果确信在运行时不需要这些检查，则可以在整个模块上或仅在选择功能上禁用它们以获得额外的编译速度。
Cython还允许本地访问使用“缓冲协议”的Python结构，以直接访问存储在内存中的数据（无需中间复制）。Cython的“记忆视图”可以高速地在这些结构上进行工作，并且具有适合任务的安全级别。
Cython C代码可以从释放GIL中受益
Python的全局解释器锁（Global Interpreter Lock，GIL）同步解释器中的线程，保护对Python对象的访问并管理资源的争用。但GIL被广泛批评为Python性能的绊脚石，特别是在多核系统上。
如果有一段代码不会引用Python对象并执行长时间运行，那么可以使用nogil：指令将其标记为允许它在没有GIL的情况下运行。这使得Python中间人可以做其他事情，并允许Cython代码使用多个内核（附加工作）。
Cython可以使用Python类型的提示语法
Python有一个类型提示语法，主要由linters和代码检查器使用，而不是CPython解释器。 Cython有它自己的代码装饰的自定义语法，但是最近修改了Cython，你可以使用Python类型提示语法为Cython提供类型提示。
Cython限制
请记住，Cython不是一个魔术棒。它不会自动将每一个poky Python代码变成极速的C代码。为了充分利用Cython，你必须明智地使用它，并理解它的局限性：
常规Python代码的加速很少
当Cython遇到Python代码时，它不能完全翻译成C语言，它将这些代码转换成一系列对Python内部的C调用。这相当于将Python的解释器从执行循环中提取出来，这使得代码默认加速了15％到20％。请注意，这是最好的情况。在某些情况下，可能看不到性能改善，甚至性能下降。
原生Python数据结构有一点加速
Python提供了大量的数据结构 - 字符串，列表，元组，字典等等。它们对于开发者来说非常方便，而且他们自带了自动内存管理功能，但是他们比纯C慢。
Cython让你继续使用所有的Python数据结构，尽管没有太多的加速。这又是因为Cython只是在Python运行时调用创建和操作这些对象的C API。因此，Python数据结构的行为与Cython优化的Python代码大致相同：有时会得到一个提升，但只有一点。
Cython代码运行速度最快时，“纯C”
如果你在C中有一个标有cdef关键字的函数，那么它的所有变量和内联函数调用都是纯C的，所以它的运行速度可以和C一样快。 但是，如果该函数引用任何Python原生代码（如Python数据结构或对内部Python API的调用），则该调用将成为性能瓶颈。
幸运的是，Cython提供了一种方法来发现这些瓶颈：一个源代码报告，一目了然地显示您的Cython应用程序的哪些部分是纯C以及哪些部分与Python交互。 对应用程序进行了更好的优化，就会减少与Python的交互。
为Cython应用程序生成的源代码报告。 白色区域纯C；黄色区域显示与Python内部的交互。一个精心优化的Cython程序将尽可能的黄色。 展开的最后一行显示了解释其相应Cython代码的C代码。
Cython NumPy
Cython改进了基于C的第三方数字运算库（如NumPy）的使用。由于Cython代码编译为C，它可以直接与这些库进行交互，并将Python的瓶颈带出循环。
但是NumPy特别适用于Cython。 Cython对NumPy中的特定结构具有本地支持，并提供对NumPy数组的快速访问。在传统的Python脚本中使用的熟悉的NumPy语法可以在Cython中使用。
但是，如果要创建Cython和NumPy之间最接近的绑定，则需要使用Cython的自定义语法进一步修饰代码。例如，cimport语句允许Cython代码在编译时在库中查看C级构造，以实现最快的绑定。
由于NumPy被广泛使用，Cython支持NumPy“开箱即用”。如果你安装了NumPy，你可以在你的代码中声明cimport numpy，然后添加进一步的装饰来使用暴露的函数。
Cython分析和性能
可以通过分析代码并亲眼目睹瓶颈在哪里获得最佳性能。Cython为Python的cProfile模块提供钩子，因此可以使用Python自己的分析工具来查看Cython代码的执行情况。无需在工具组之间切换；可以继续所熟悉和喜爱的Python世界中工作。
它有助于记住所有情况下，Cython不是魔术，仍然适用明智的现实世界的表现实践。在Python和Cython之间来回穿梭越少，你的应用运行得越快。
例如，如果你有一个你想要在Cython中处理的对象的集合，那么不要在Python中迭代它，并且在每一步调用一个Cython函数。将整个集合传递给你的Cython模块并在那里迭代。这种技术经常在管理数据的库中使用，因此这是在自己的代码中模拟的好模型。
我们使用Python是因为它为程序员提供了便利，并且能够快速开发。有时程序员的工作效率是以牺牲性能为代价的。使用Cython，只需要一点点额外的努力就可以给你两全其美的好处。
