基于Boost.Python库的混合语言编程及其应用

目前有多个工具可以实现跟 Boost.Python 类似的功能，如 SWIG[4]，SIP 等。但是它们 有很大的不同。SWIG 和 SIP 都定义了一种接口描述语言。需要先写一个接口描述文件， 用于描述我要导出的 C++ 函数和类。然后通过一个翻译器，将接口描述文件翻译成 C++ 程序。 最后编译连接生成的 C++ 程序来生成扩展库。 而 Boost.Python 用于导出 C++ 函数 和类的时候，我需要添加的也是 C++ 的代码，这是 Boost.Python 的最大特点之一。 Boost.Python 的另外一个优点是，它的设计目标就是让 C++ 程序库可以透明地导出到 Python 中去。即在完全不修改原来 C++ 程序的情况下，导出给 Python 用。在这种设计理 念下设计出来的 Boost.Python 比同类工具支持了给完善的 C++ 特性，能够最大程度地保 证不修改原 C++ 程序。
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…… MenuInterface = MenuInterfaceType();
4.2 编写菜单脚本 menu.py，供主程序调用
通过暴露的C++ API接口函数来编写脚本，以下是该文件部分实现： def BuildUnitMenu(UnitMenu, UnitInfo): UnitMenu.AddItem('设置速度','') UnitMenu.BeginSubMenu() UnitMenu.AddItem('30% [1]','Speed30') UnitMenu.AddItem('经济 [2]','Speed50') …… UnitMenu.EndSubMenu()
1．引言
混合语言编程是指采用两种或两种以上的编程语言来进行程序开发的方法， 一种常见情 况是系统编程语言(例如 C，C++)和脚本语言(如 python，lua)之间的混合。混合语言编程的 软件开发方法近年来日益受到重视[1]。采用此方法的好处可以充分利用不同编程语言的各自 优势。系统编程语言开发的程序运行速度快,但开发周期较长;脚本语言方便灵活,代码简短, 开发效率可提高 5-10 倍,但程序运行速度慢。合理地结合两者的优点，取长补短，可以快速 高效地构建应用程序并维持相当的性能。 Python[2]是最近日益流行的一种脚本语言,它所具有的多种特性使其非常适用于混合语 言编程。Boost.Python[3]是一个开源的 C++程序库，提供类似 IDL 的接口来把 C++类和函数 绑定到 Python。借助于 C++ 强大的编译时内省能力和最新的元编程技术，它完全用 C++来 实现，而不用引入新的语法。Boost.Python 丰富的特性和高级接口使从底层起按混合系统的 方式设计组件成为可能， 从而使程序员可以轻松和连贯的同时使用 C++高效的编译时多态和 Python 极其方便的运行时多态。
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为 Boost.Python 定义， 可以执行一段 Python 脚本， 完成将程序信息输出到指定文件的操作。
4．应用举例
在笔者开发的模拟系统中，通过对Boost.Python的使用，将系统菜单的显示与主应用程 序脱离开，完全的交给外部的python脚本文件控制的。通过这种方法用户不仅可以根据需要 灵活的配置界面，而且可以根据主系统提供的API接口，自由的定义菜单与API的响应关系。 给系统带来高度的灵活性。下面具体讲解具体的实现方法。
4.3 主程序导入菜单脚本 menu.py
主程序通过Boost.Python提供的方法可直接运行构建菜单的脚本menu.py： void BuildPlatformMenu() { handle<>( PyRun_String("Menu.BuildUnitMenu(UserMenu, HookedUnitInfo)" , Py_file_input, main_namespace.ptr(), main_namespace.ptr()) ); }
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便地根据需求的变化改写脚本代码，而不是必须重新编译链接二进制的动态链接库； Boost.Python 为 C++程序提供的封装能力，是基于 template 机制的。我们要做的，是把 C++程序中的函数、类、数据成员等等，都变成 Python 对象。Boost.Python 封装了各平台的 Python 动态链接库接口，我们要做的只是调用它，封装需要暴露的定义，然后指示编译器 生成动态链接库即可。 3.1.1 暴露 c++函数给 Python 函数封装 Python 的 API 使用回调函数调用 Python 对象和函数。BOOST 提供完整的函 数封装过程，一个简单的封装过程如下 ： //需要封装的 C++函数 char const* greet() { return "hello, world"; } //通过 Boost.Python 的封装将函数暴露给 python 调用 #include <boost/python.hpp> using namespace boost::python; // 使用 BOOST_PYTHON_MODULE 命名模块名为“hello” BOOST_PYTHON_MODULE(hello) { def("greet", greet); } 将 c++工程文件编译成动态链接库文件，然后就可以在 python 解释器中使用该模块。 3.1.2 暴露 c++的类给 Python Python 虚拟机提供引用计数和自动垃圾回收能力， 但是 C++对象没有这样的能力 （C++ 对象运行在 Python 虚拟机之外） 。为了避免程序运行过程中的内存使用问题，需要为函数中 传递的指针提供引用计数管理，Boost 通过“调用协议”来支持此功能，详情请见 BOOST 文 档"Call Policies"。 C++对象到 Python 对象的封装 BOOST 文档中提供了 C++对象封装至 Python 对象的方法，主要手段是以 class_模板将 C++类定义解析为符合 C API 的形式，一个 形如 ： class World { void set(std::string msg) { this->msg = msg; } std::string greet() { return msg; } std::string msg; }; 的 C++代码可以通过如下方式封装： #include <boost/python.hpp> using namespace boost::python; BOOST_PYTHON_MODULE(hello) { class_<World>("World") .def("greet", &World::greet)
图1 显示效果截图
5. 结语
随着计算机编程语言的发展，混合语言编程已成为一种流行的软件开发方法，Python 的特点使其非常适合于混合语言编程的软件开发。通过Python扩展或者嵌入，程序员可以充 分利用脚本语言和系统编程语言两者的优点， 达到提高开发效率， 增强程序的灵活性和交互 性的目的。
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基于 Boost.Python 库的混合语言编程及其应用
徐凌，尹勇
武汉理工大学信息学院，湖北武汉（430070）
E-mail：xllinux@
摘 要：Boost.Python 是著名的 c++库 Boost 的一个组件，它实现了 c++和 python 两种功能 丰富的优秀的语言环境间的无缝协作。本文介绍了 Boost.Python 库的特点和使用方法，并通 过实例，说明了在制作用户界面时使用脚本语言的具体方法。 关键词：Boost；Python；C++；脚本语言；混合语言编程 中图分类号：TP393
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.def("set", &World::set) ; } 这里，构造类型 class_<World>的未命名对象，把"World"传给它的构造器。这将在扩展 模块里创建一个叫 World 的新的 Python 类，并把它和 C++类型 World 在 Boost.Python 的类 型转换注册表里关联起来。 这里的关键点在于封装代码必有的 BOOST_PYTHON_MODULE 宏和 class<>模板的 def。为了支持 C++类定义丰富的内容，Boost.Python 提供了很多调用方法，比较常用，也比 较重要的是构造函数、重载和虚函数的支持。详细情况请参考 Boost 文档。
4.1 封装 c++函数，供 python 脚本调用
类MenuInterface实现了一套用于操作菜单C++ API函数： class MenuInterface { public: //增加菜单项 void AddItem(std::string caption, std::string command); …… private: static Menu* mpMenu; }; 然后，将MenuInterface类通过Boost.Python中的函数暴露给python使用： MenuInterfaceType = class_<tcMenuInterface>("MenuInterfaceClass") .def("AddItem", &tcMenuInterface::AddItem)