„Foreign Functions Interface“

Python Jiří Znamenáček „Foreign Functions Interface“ 2013-05-01

Python umožňuje poměrně snadno volat funkce ve sdílených knihovnách. Principiálně můžete buď načíst najednou prakticky všechny systémové knihovny nebo libovolnou konkrétní vybranou, samozřejmě pak i nesystémovou. Toho se často užívá pro přímý přístup k vybraným funkcím systému z Python'u nebo například pro přepis časově kritických operací v nějakém rychlejším jazyce.

Python pro tyto účely poskytuje modul ctypes, který umožňuje volat externí sdílené knihovny vyhovující standardu jazyka C. Pro jiné jazyky je třeba doplnit odpovídající céčkovský „wrapper“.

S externími knihovnami napsanými v jazyce C, respektive C++, je práce nejsnažší, protože Python pro ně poskytuje přímou podporu pomocí modulu ctypes. Ten poskytuje datové typy kompatibilní s Céčkem a umožňuje pomocí klasické tečkové notace volat dostupné funkce na externí sdílené knihovně.

V praxi tedy stačí napsat požadované části kódu v Céčku, příslušným způsobem je přeložit do podoby sdílené knihovny (shared library), vhodným způsobem tuto knihovnu v rámci Python'u načíst a s takto získaným objektem pracovat, jako kdyby to byl obyčejný pythoní objekt.

Tedy pouze téměř, protože přímo operovat můžeme pouze s typy None, int, bytes, bytearray a string (a u něj to není ve trojkovém Python'u vůbec přímočaré); cokoliv jiného je třeba nejdříve „přetypovat“ vhodným typem z kolekce modulu ctypes.

Zkusme pro ukázku přesunout do Céčka vykonání dlouhé smyčky while. Zdrojový kód..

..přeložíme do podoby sdílené knihovny např. pomocí příkazu:

gcc -O -shared mylib.c -o mylib.dll

Se získaným souborem mylib.dll pak z Python'u můžeme pracovat např. takto:

Pod Windows je možné odkázat na sdílenou knihovnu relativně vůči umístění skriptu, pod Linuxem je však třeba absolutní cesta. Windows naštěstí absolutní cestu zvládnou též, takže principielně postačí nahradit jméno modulu třeba tímto kouskem kódu: os.path.join( os.getcwd(), 'mylib.slib' ) A samozřejmě vybrat knihovnu podle aktuální platformy.
Podle jazyka, překladače a platformy může – ale také nemusí – býti nutné (nebo jindy přinejmenším vhodné) označit, které funkce budou exportovány vně sdílené knihovny a které jsou určeny pouze pro její vnitřní potřebu. Jelikož závisí nejen na jazyce a překladači, ale též i platformě, je v tuto chvíli zpravidla čas uplatnit vhodné makro (pokud je jazyk podporuje), pomocí něhož se daný export pro více funkcí zapíše podstatně snáze.
Je vřele doporučováno nepokoušet se přenášet a zachytávat výjimky mezi jazyky na obou stranách výše uvedeným způsobem vyrobeného spojení.
Názvy exportovaných funkcí mohou být zamanglovány takovým způsobem, že nejde o validní pythoní identifikátory a nemůžete tudíž použít klasickou tečkovou notaci. Vždycky je tady ale možnost použít funkci getattr(KNIHOVNA, "FUNKCE").

Vyrobme pomocí..

..dvě různě optimalizované verze této smyčky a porovnejme je jak mezi sebou, tak se stejnou smyčkou v čistém Python'u:

Vidíme, že – nepřekvapivě – obě smyčky v Céčku jsou enormně rychlejší než smyčka v Python'u. Pythoní kód je v tomto případě pomalejší než základním způsobem optimalizované Céčko v řádu stonásobků, ale „drsnější“ optimalizace Céčka tento už tak obrovský rozdíl zvýší na doslova propastný v řádu ještě dalších tisícinásobků.

Některé jazyky umí vyrobit sdílené knihovny s céčkovským rozhraním (interface), ale jejich obsluha z Python'u často nemusí být stejně přímočará jako u Céčkovských knihoven.

Mezi takovéto jazyky patří například Ada, kdy je třeba importované moduly pro použití v pythoním skriptu inicializovat pomocí ada_moduleinit() a dalších prostředků.

Jiné jazyky sice poskytují sdílené knihovny, ale jejich rozhraní buď nekopíruje kompletně rozhraní knihoven jazyka C nebo vyžaduje pro práci s nimi některé nestandardní prostředky.

Mezi takové jazyky patří například Haskell nebo D, které vyžadují slinkování vlastního zdrojového kódu knihovny s „wrapperem“, který doplní požadované rozhraní.