Pybind11 是一個(gè)輕量級(jí)的C++ 庫，旨在無縫地將C++代碼綁定到Python。它簡(jiǎn)化了C++ 函數(shù)、類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在Python中使用的過程，使得開發(fā)人員可以方便地在Python中調(diào)用C++ 代碼，同時(shí)保留兩者的性能優(yōu)勢(shì)下面將詳細(xì)介紹Pybind11的基本概念、安裝方法、用法以及示例代碼。

Pybind11的基本概念

Pybind11允許C++函數(shù)、類和其他對(duì)象暴露給Python，使得它們可以在Python中被直接調(diào)用。主要功能包括：

• 暴露C++函數(shù)和類給Python。
• 支持C++的STL容器和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在Python中的使用。
• 支持C++的異常傳遞到Python。
• 允許使用Python對(duì)象和函數(shù)在C++中。

Pybind11 的優(yōu)點(diǎn)

• 兼容性強(qiáng)，支持 Python2.7、Python3.x、PyPy (PyPy2.7 >= 5.7)；
• 可以在 C++ 中使用 lambda 表達(dá)式，并在 Python 中使用捕獲的變量；
• 大量使用移動(dòng)特性，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)的性能；
• 可以很方便地通過 Python buffer protocol 進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)移；
• 可以很方便地對(duì)函數(shù)進(jìn)行向量化加速；
• 支持使用 Python 的切片語法；
• Pybind11 是 header-only 的，只需要包含頭文件即可；
• 相比于 Boost::Python，生成的二進(jìn)制文件體積更小；
• 函數(shù)簽名通過 constexper 提前計(jì)算，進(jìn)一步減小二進(jìn)制文件體積；
• C++ 中的類型可以很容易地進(jìn)行序列化/反序列化；

Python 以其靈活和易于上手的特點(diǎn)，成為了當(dāng)下炙手可熱的編程語言。然而，動(dòng)態(tài)解釋型語言的特點(diǎn)限制了其性能。因此在需要性能的地方，往往使用 C、C++ 等傳統(tǒng)高性能語言實(shí)現(xiàn)（如 numpy 這種科學(xué)計(jì)算庫），并在 Python 中調(diào)用。這就是所謂的混合編程，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

Pybind11出來以前，Python和C/C++混合編程

Python 的 C-API (Python.h)
SWIG
Python 的 ctypes 模塊
Cython
Boost::Python

安裝Pybind11

Pybind11可以通過pip輕松安裝：

pip install pybind11

或者可以從源碼安裝：

git clone https://github.com/pybind/pybind11.git
cd pybind11
mkdir build
cd build
cmake ..
make install

用法示例

1. 暴露簡(jiǎn)單的C++函數(shù)

首先，創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的C++函數(shù)，然后使用Pybind11將其暴露給Python。

C++代碼（example.cpp）：

#include <pybind11/pybind11.h>

// 簡(jiǎn)單的C++函數(shù)
int add(int i, int j) {
    return i + j;
}

// Pybind11模塊定義
PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("add", &add, "A function which adds two numbers");
}

編譯上面的代碼：

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example.cpp -o example$(python3-config --extension-suffix)

然后在Python中使用：

import example
print(example.add(2, 3))  # 輸出: 5

2. 暴露C++類

Pybind11還可以暴露C++類，并在Python中創(chuàng)建和操作這些類的實(shí)例。

C++代碼（example.cpp）：

#include <pybind11/pybind11.h>

class Pet {
public:
    Pet(const std::string &name) : name(name) {}
    void setName(const std::string &name_) { name = name_; }
    std::string getName() const { return name; }
private:
    std::string name;
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    pybind11::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(pybind11::init<const std::string &>())
        .def("setName", &Pet::setName)
        .def("getName", &Pet::getName);
}

編譯代碼：

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example.cpp -o example$(python3-config --extension-suffix)

在Python中使用：

import example
p = example.Pet("Mittens")
print(p.getName())  # 輸出: Mittens
p.setName("Whiskers")
print(p.getName())  # 輸出: Whiskers

更多功能

暴露STL容器

Pybind11可以將C++的STL容器（如std::vector、std::map等）暴露給Python。

C++代碼（example.cpp）：

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/stl.h>
#include <vector>

std::vector<int> get_vector() {
    return {1, 2, 3, 4, 5};
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("get_vector", &get_vector);
}

編譯代碼：

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example.cpp -o example$(python3-config --extension-suffix)

在Python中使用：

import example
print(example.get_vector())  # 輸出: [1, 2, 3, 4, 5]

異常處理

Pybind11支持將C++中的異常傳遞到Python，并在Python中進(jìn)行處理。

C++代碼（example.cpp）：

#include <pybind11/pybind11.h>

void throws_exception() {
    throw std::runtime_error("An error occurred!");
}

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("throws_exception", &throws_exception);
}

編譯代碼：

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example.cpp -o example$(python3-config --extension-suffix)

在Python中使用：

import example

try:
    example.throws_exception()
except RuntimeError as e:
    print(e)  # 輸出: An error occurred!

總結(jié)

Pybind11是一個(gè)強(qiáng)大且易于使用的工具，允許開發(fā)人員將C++ 代碼無縫地集成到Python項(xiàng)目中。通過Pybind11，可以高效地暴露C++ 函數(shù)、類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在Python中進(jìn)行調(diào)用和操作。其支持STL容器、異常處理等特性，使得它在C++ 與Python交互中表現(xiàn)得非常出色。使用Pybind11，可以充分利用C++的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)享受Python的開發(fā)便利性。

到此這篇關(guān)于python使用Pybind11擴(kuò)展c++的實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Pybind11擴(kuò)展c++內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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