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什么是 pybind11？

article 2025/1/8 16:52:21

什么是 `pybind11`？

pybind11 是一个轻量级的 C++ 库，用于将 C++ 代码与 Python 代码连接起来。它允许你轻松地在 Python 中调用 C++ 函数和类，同时保持高性能。pybind11 为 C++ 和 Python 之间提供了一个清晰、简单的桥梁，使得我们可以在 Python 中直接使用 C++ 编写的高性能代码。

为什么需要 `pybind11`？

Python 是一种动态类型、开发效率高的语言，但在处理性能要求较高的任务时，Python 的执行效率常常不如 C++ 等静态类型的编程语言。因此，在需要高性能的情况下，可以将计算密集型的部分用 C++ 编写，再通过 pybind11 将其暴露给 Python 使用，从而结合两者的优势。

具体场景包括：

性能优化： 对于 CPU 密集型操作（如数值计算、大规模数据处理等），可以将核心算法使用 C++ 编写，通过 pybind11 导出到 Python 中。
现有 C++ 代码复用： 如果已经有一个用 C++ 编写的代码库（如图像处理库、机器学习框架等），可以通过 pybind11 将其暴露给 Python，避免重写大量代码。
跨语言开发： 在多语言开发中，pybind11 使得 C++ 和 Python 之间的互操作变得简单，尤其是在数据科学和机器学习领域，Python 是主流的开发语言，但 C++ 用于底层高效实现。

`pybind11` 的工作原理

pybind11 通过 C++ 编译器扩展 和 Python API，实现了 C++ 对 Python 的无缝绑定。其核心思想是通过封装和映射 C++ 对象到 Python 类型，使得 Python 可以直接调用 C++ 中定义的类、函数和对象。

C++ 到 Python 的暴露： 使用 pybind11，你可以定义 C++ 类和函数，并通过绑定接口将它们暴露给 Python。pybind11 会生成与 Python 对应的模块，使得 Python 能像调用普通 Python 函数和类一样调用 C++ 编写的函数和类。
Python 到 C++ 的调用： pybind11 允许从 Python 调用 C++ 中的对象和方法，这样 Python 用户可以直接访问 C++ 中实现的高性能代码。

使用 `pybind11` 的基本步骤

安装 pybind11：

可以通过 pip 安装 pybind11：
```
pip install pybind11
```
编写 C++ 代码并绑定：

创建一个 C++ 文件，使用 pybind11 提供的 API 进行 C++ 和 Python 的绑定。
编译 C++ 代码：

编译 C++ 代码时需要将 pybind11 与 Python 的开发头文件链接在一起。通常，使用 CMake 或 setup.py 来简化编译过程。
在 Python 中调用：

使用 Python 代码直接调用 C++ 中暴露的函数和类。

示例：如何通过 `pybind11` 将 C++ 代码暴露给 Python

1. C++ 代码

假设我们有一个简单的 C++ 类 MyClass，它包含一个函数 add，用于将两个整数相加。

// mymodule.cpp
#include <pybind11/pybind11.h>

namespace py = pybind11;

class MyClass {
public:
    MyClass(int a, int b) : a(a), b(b) {}
    int add() { return a + b; }

private:
    int a, b;
};

// 通过 pybind11 将 C++ 类和方法暴露给 Python
PYBIND11_MODULE(mymodule, m) {
    py::class_<MyClass>(m, "MyClass")
        .def(py::init<int, int>())  // 构造函数
        .def("add", &MyClass::add); // 成员函数
}

在上面的代码中：

py::class_<MyClass> 用于将 C++ 类 MyClass 绑定到 Python。
.def(py::init<int, int>()) 将 C++ 构造函数暴露给 Python。
.def("add", &MyClass::add) 将 add 方法暴露给 Python。

2. 编译 C++ 代码

要将 C++ 代码编译成 Python 模块，我们可以使用 CMake 或 setup.py。以下是使用 CMake 的例子。

首先，我们需要一个 CMakeLists.txt 文件来指定编译参数。

cmake_minimum_required(VERSION 3.12)
project(mymodule)

# 找到 pybind11 和 Python
find_package(pybind11 REQUIRED)
find_package(Python3 REQUIRED COMPONENTS Interpreter Development)

# 指定 C++ 源文件
add_library(mymodule MODULE mymodule.cpp)

# 链接 pybind11 和 Python 库
target_link_libraries(mymodule PRIVATE pybind11::module Python3::Python)

使用 CMake 来编译：

mkdir build
cd build
cmake ..
make

编译成功后，会生成一个名为 mymodule.so（或 Windows 上的 .pyd）的 Python 模块。

3. 在 Python 中调用 C++ 函数

编译成功后，可以直接在 Python 中使用 C++ 类和方法：

# test.py
import mymodule

# 创建 MyClass 对象
obj = mymodule.MyClass(10, 20)

# 调用 add 方法
result = obj.add()
print(f"The sum is: {result}")

4. 输出结果

运行 Python 代码：

python test.py

输出结果为：

The sum is: 30

进一步的应用

返回复杂类型：
你可以将 C++ 中的复杂类型（如 std::vector 或 std::map）暴露给 Python，让 Python 用户可以直接处理这些类型。
处理异常：
pybind11 支持将 C++ 异常转换为 Python 异常，这样 Python 用户可以捕获和处理 C++ 中抛出的异常。
优化性能：
使用 C++ 编写核心算法后，可以显著提高 Python 程序的性能，特别是在处理大量数据或需要复杂计算时。

总结

pybind11 是一个强大的工具，它使得 C++ 和 Python 可以轻松互操作。它让开发者能够在 Python 中直接调用 C++ 编写的高效算法，而不需要重写 Python 代码。通过 pybind11，我们可以将现有的 C++ 库集成到 Python 中，或者将性能关键的部分用 C++ 实现，以便在 Python 中使用。

关键点：