使用pybind11為Python編寫C++擴充套件（一）配置篇：Build（編譯和連結）

milliele發表於2022-01-30
PythonC++套件UI編譯

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最後決定選用pybind11，理由如下：

  1. 比python原生的C API看起來人性多了
  2. 我的C++程式碼不是現成的，需要一定的C++開發工作量，所以感覺cython不是很方便。如果C++介面已經給好了，只需要簡單包裝一下，Cython可能更好。
  3. pybind11聲稱只包含標頭檔案，且能通過pip安裝，感覺比boost_python輕量且最後這個擴充套件包容易分發。此外，感覺它的文件也比boost python友好不少……

Setuptools

參考官方的Setuptools構建文件

這種方式適合python包的構建、打包、分發、上傳到PyPi一條龍服務。python使用C++擴充套件需要在setup.py裡配置好Extension。以下是一個setup.py的樣例：

import glob
import os.path
from distutils.core import setup

__version__ = "0.0.1"

# make sure the working directory is BASE_DIR
BASE_DIR = os.path.dirname(__file__)
os.chdir(BASE_DIR)

ext_modules = []

try:
    from pybind11.setup_helpers import Pybind11Extension, ParallelCompile, naive_recompile

    # `N` is to set the bumer of threads
    # `naive_recompile` makes it recompile only if the source file changes. It does not check header files!
    ParallelCompile("NPY_NUM_BUILD_JOBS", needs_recompile=naive_recompile, default=4).install()

    # could only be relative paths, otherwise the `build` command would fail if you use a MANIFEST.in to distribute your package
    # only source files (.cpp, .c, .cc) are needed
    source_files = glob.glob('source/path/*.cpp', recursive=True)

    # If any libraries are used, e.g. libabc.so
    include_dirs = ["INCLUDE_DIR"]
    library_dirs = ["LINK_DIR"]
    # (optional) if the library is not in the dir like `/usr/lib/`
    # either to add its dir to `runtime_library_dirs` or to the env variable "LD_LIBRARY_PATH"
    # MUST be absolute path
    runtime_library_dirs = [os.path.abspath("LINK_DIR")]
    libraries = ["abc"]

    ext_modules = [
        Pybind11Extension(
            "package.this_package", # depends on the structure of your package
            source_files,
            # Example: passing in the version to the compiled code
            define_macros=[('VERSION_INFO', __version__)],
            include_dirs=include_dirs,
            library_dirs=library_dirs,
            runtime_library_dirs=runtime_library_dirs,
            libraries=libraries,
            cxx_std=14,
            language='c++'
        ),
    ]
except ImportError:
    pass

setup(
    name='project_name',  # used by `pip install`
    version='0.0.1',
    description='xxx',
    ext_modules=ext_modules,
    packages=['package'], # the directory would be installed to site-packages
    setup_requires=["pybind11"],
    install_requires=["pybind11"],
    python_requires='>=3.8',
    include_package_data=True,
    zip_safe=False,
)

這樣最後python包的檔案結構是：

project_dir
    |-- package
    |   |-- __init__.py
    |   |-- this_package.xxxx.so
    |   |-- other.py
    |-- setup.py

  • 如果是在本地專案開發過程中需要構建.so庫檔案：

    python setup.py build_ext --inplace

    你的.so庫會在package目錄下，你可以直接像用python模組一樣在python測試檔案裡引入：

    import package.this_package

    最好不要直接用python setup.py build或者python setup.py build_ext。它們會把動態庫編譯到一個單獨的build目錄下，前者會帶上你包裡其它的python檔案，後者則只會有動態庫。目錄的路徑比較複雜，匯入比較麻煩，要麼需要新增sys.path，要麼要寫比較醜陋的import。感覺只適合作為分發包前的一箇中間步驟，對我們本地測試自己的包沒啥用。

  • 如果最後需要分發你這個包：

    • 原始碼分發sdist：setuptools會直接打包原始碼，不需要先build。分發前記得刪掉.so檔案。 在安裝的時候，setuptools會在要安裝這個包的機器上當場build，這時候你安裝進site-packages裡的包也會長得跟目錄package一樣。
    • 二進位制wheel分發：bdist_wheel：setuptools會在本機build好，然後一股腦塞進wheel裡，最後分發的是那個.whl檔案。這個檔案跟作業系統和計算機的體系架構有關，這也是為啥很多我們熟悉的包，比如numpy，有很多個版本的.whl檔案，我們需要找對應的下載。

    當然不管怎樣，這些都是setuptools的自動操作，你只要配置好了setup.py，一切都好說。

一些需要注意的點（坑）：

  • 如果需要通過sdist（即.tar.gz的原始碼方式）釋出包的話，Extension的source_files欄位必須是相對路徑。否則build的時候會因為egg-info裡的SOURCE.txt裡有絕對路徑而報錯。但由此帶來的問題是我們不能確定跑setup.py的時候工作目錄是啥，為了保險起見，需要把它設定成setup.py所在的目錄。

  • 在安裝包之前，為了獲取一些metadata，setuptools會先跑一次setup.py，這個時候如果沒有裝pybind11，會報錯。為了解決這個問題：

    • 為了能正常執行到setup函式，我們需要先保證沒有pybind11的情況下執行這個檔案也不會報錯。所以我們需要把所有依賴pybind11.setup_helpers的部分都放到try裡。

      也有其它的方法，比如直接複製一個setup_helpers啥的，具體可以看文件。

    • 根據setuptools的文件，setup_requires並不會安裝包，所以pybind11也需要加到install_requires裡。
    • 最後，在安裝本包前，setuptools會先安裝依賴項，然後再跑setup.py install，這時就可以成功build和安裝了。

  • 如果你的外接庫不在系統查詢動態庫的指定路徑裡，那麼指定link_dirs之後，編譯和連結不會出錯。但執行的時候還是會因為找不到動態庫而報錯。可以通過新增runtime_library_dirs（等價於-Wl,-rpath），或者給LD_LIBRARY_PATH環境變數裡新增這個路徑。

  • 編譯後的.so的位置，以及你的C++ module在python裡的名字，取決於你給Extension寫的名字。如果它叫package.a.b.c.this_package，那麼最後這個.so檔案就會在project_dir/package/a/b/c下。

    此外，哪怕你這個project只想匯出一個.so裡的模組，把它放到一個資料夾裡包裝起來也會更好。因為如果你只想匯出一個this_package，把setup函式裡的配置改成了packages=['this_package']，這個.so檔案會直接被加到site-packages，感覺不是很優雅。

    但是，要保證執行.so不出錯，在C++裡通過PYBIND11_MODULE把這個擴充套件expose到python裡的時候，名字也要對應：

    PYBIND11_MODULE(this_package, m) {}

CMake

參考官方的CMake構建文件。

如果是編譯嵌入python的C++程式，可以用CMake，比較方便。

雖然python extension似乎也可以用CMake，但是還是setuptools比較方便。

我這裡主要是用CMake編譯C++部分的測試。CMakeLists.txt大概長這樣：

# the CMakeList to test the C++ part from a C entry point
cmake_minimum_required(VERSION 3.21)
project(project_name)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

# Find pybind11
find_package(pybind11 REQUIRED)

# If any library (e.g. libabc.so) is needed
include_directories(INCLUDE_DIR)
link_directories(LINK_DIR)

# Add source file
file(GLOB A_NAME_FOR_SOURCE CONFIGURE_DEPENDS "source/path/*.cpp")
file(GLOB A_NAME_FOR_TEST CONFIGURE_DEPENDS "test/path/*.cpp")
add_executable(TARGET_NAME ${A_NAME_FOR_SOURCE} ${A_NAME_FOR_TEST})
target_link_libraries(TARGET_NAME abc pybind11::embed)
  • project_name隨便寫
  • TARGET_NAME隨便寫，只要add_executable和target_link_libraries對應就行，是最後的可執行檔案的名字
  • A_NAME_FOR_SOURCE和A_NAME_FOR_TEST是一個CMake的中間變數名，隨便寫，它們分別代表了GLOB找到的一堆原始檔，和用於測試的一堆檔案
  • INCLUDE_DIR裡是庫abc的標頭檔案，LINK_DIR裡必須包含庫檔案，動態庫類似libabc.so，靜態庫類似libabc.a。
  • Link到pybind11::embed的原因是防止帶python物件的那部分C++程式碼編譯失敗。

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