Go实现Python模块

Go语言和Python语言作为当下最红的语言，使用Go语言来为Python语言编写模块是很多用户梦寐以求的方式。这里我们将演示如何通过Go语言来为Python脚本语言编写扩展模块。

Python的本地模块采用C语言接口规范，因此Go语言编写的函数也需要以C语言接口规范导出。Go语言的CGO特性很早就实现了将Go语言编写为C语言的静态库或动态库。关于CGO的使用细节请参考作者编写的《Go语言高级编程》的第二章CGO编程部分。

基于ctypes

Python内置了非常丰富的模块，其中ctypes支持直接从C动态库调用函数。为了演示如何基于ctypes技术来扩展模块，我们需要先用Go语言创建一个C动态库。

我们使用的是之前出现过的例子：

// main.go

package main

import "C"
import "fmt"

func main() {}

//export SayHello
func SayHello(name *C.char) {
    fmt.Printf("hello %s!\n", C.GoString(name))
}

其中只导出了一个SayHello函数，用于打印字符串。通过以下命令基于上述Go代码创建say-hello.so动态库：

go build -buildmode=c-shared -o say-hello.so main.go

现在我们就可以通过ctypes模块调用say-hello.so动态库中的SayHello函数了：

# hello.py
import ctypes

libso = ctypes.CDLL("./say-hello.so")

SayHello = libso.SayHello
SayHello.argtypes = [ctypes.c_char_p]
SayHello.restype = None

SayHello(ctypes.c_char_p(b"hello"))

我们首先通过ctypes.CDLL加载动态库到libso，并通过libso.SayHello来获取SayHello函数。获取到SayHello函数之后设置函数的输入参数为一个C语言类型的字符串，该函数没有返回值。然后我们通过ctypes.c_char_p(b"hello")将Python字节串转为C语言格式的字符串作为参数调用SayHello。如果一切正常的话就可以输出字符串了。

从这个例子可以看出，给予ctypes构造Python扩展模块非常简单，本质上只是在构建一个纯C语言规格的动态库。比较复杂的部分在ctypes的具体使用，关于ctypes的具体细节就不详细展开的，用户可以自行参考Python自带的官方文档。

基于Python C接口创建

在前面的例子中，通过ctypes创建的模块必须要用Python再包装一层，否则就要直接面对C语言风格的接口。如果基于基于Python C接口，我们可以完全再Go和C语言层面创建灵活强大的模块，重点是不再需要在Python中重新包装。

基于Python C接口创建模块和使用C语言的静态库的流程类似：

package main

/*
// macOS:
#cgo darwin pkg-config: python3

// linux
#cgo linux pkg-config: python3

// windows
// should generate libpython3.a from python3.lib

#define Py_LIMITED_API

#include <Python.h>

extern PyObject* PyInit_gopkg();
extern PyObject* Py_gopkg_sum(PyObject *, PyObject *);

static int cgo_PyArg_ParseTuple_ii(PyObject *arg, int *a, int *b) {
    return PyArg_ParseTuple(arg, "ii", a, b);
}

static PyObject* cgo_PyInit_gopkg(void) {
    static PyMethodDef methods[] = {
        {"sum", Py_gopkg_sum, METH_VARARGS, "Add two numbers."},
        {NULL, NULL, 0, NULL},
    };
    static struct PyModuleDef module = {
        PyModuleDef_HEAD_INIT, "gopkg", NULL, -1, methods,
    };

    return PyModule_Create(&module);
}
*/

import "C"

func main() {}

//export PyInit_gopkg
func PyInit_gopkg() *C.PyObject {
    return C.cgo_PyInit_gopkg()
}

//export Py_gopkg_sum
func Py_gopkg_sum(self, args *C.PyObject) *C.PyObject {
    var a, b C.int
    if C.cgo_PyArg_ParseTuple_ii(args, &a, &b) == 0 {
        return nil
    }

    return C.PyLong_FromLong(C.long(a + b))
}

因为Python的链接参数要复杂了很多，我们借助pkg-config工具来获取编译参数和链接参数。然后我们在Go语言中分别导出了PyInit_gopkg和Py_gopkg_sum函数，其中PyInit_gopkg函数用于初始化名为gopkg的Python模块，而Py_gopkg_sum函数则是模块中sum方法的实现。

因此PyArg_ParseTuple是可变参数类型，CGO中无法使用可变参数的C函数，因此我们通过增加一个cgo_PyArg_ParseTuple_ii辅助函数小消除可变参数的影响。同样，模块的方法列表必须在C语言内存空间创建，因为CGO是禁止将Go语言内存直接返回到C语言空间的。

然后通过以下命令创建gopkg.so动态库：

go build -buildmode=c-shared -o gopkg.so main.go

这里需要注意几个出现gopkg名字的地方。gopkg是我们创建的Python模块的名字，因此它对应一个gopkg.so动态库。再gopkg.so动态库中必须有一个PyInit_gopkg函数，该函数是模块的初始化函数。在PyInit_gopkg函数初始化模块时，同样需要指定模块的名字时gopkg。模块中的方法函数是通过函数指针访问，具体的名字没有影响。

macOS环境构建

因为在macOS中，pkg-config不支持Python3版本。不过macOS有一个python3-config的命令可以实现pkg-config类似的功能。不过python3-config生成的编译参数无法直接用于CGO编译选项（因为GCC不能识别部分参数会导致错误构建）。

我们在python3-config的基础只是又包装了一个工具，在通过python3-config获取到编译参数之后将GCC不支持的参数剔除掉。

创建py3-config.go文件：

func main() {
    for _, s := range os.Args {
        if s == "--cflags" {
            out, _ := exec.Command(
                "python3-config", "--cflags",
            ).CombinedOutput()

            out = bytes.Replace(out, []byte("-arch"), []byte{}, -1)
            out = bytes.Replace(out, []byte("i386"), []byte{}, -1)
            out = bytes.Replace(out, []byte("x86_64"), []byte{}, -1)

            fmt.Print(string(out))
            return
        }
        if s == "--libs" {
            out, _ := exec.Command(
                "python3-config", "--ldflags",
            ).CombinedOutput()

            fmt.Print(string(out))
            return
        }
    }
}

cgo中的pkg-config只需要两个参数--cflags和--libs。其中--libs选项的输出我们采用的是python3-config --ldflags的输出，因为--libs选项没有包含库的检索路径，而--ldflags选项则是在指定链接库参数的基础上增加了库的检索路径。

基于py3-config.go可以创建一个py3-config命令。然后通过PKG_CONFIG环境变量将cgo使用的pkg-config命令指定为我们订制的命令：

PKG_CONFIG=./py3-config go build -buildmode=c-shared -o gopkg.so main.go

对于不支持pkg-config的平台我们都可以基于类似的方法处理。

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基于ctypes

基于Python C接口创建

macOS环境构建