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python - python使用ctypes将二维数组传递给c函数

问题描述

我想用 C 来处理一些计算。例如，我有一个添加两个矩阵的 C 函数：

// mat_add.c
#include <stdlib.h>

void matAdd(int ROW, int COL, int x[][COL], int y[][COL], int z[][COL]){
    int i, j;
    for (i = 0; i < ROW; i++){
        for (j = 0; j < COL; j++){
            z[i][j] = x[i][j] + y[j][j];
        }
    }
}

然后我将它编译成 .so 文件：
gcc -shared -fPIC mat_add.c -o mat_add.so

在python中：

# mat_add_test.py
import ctypes
import numpy as np

def cfunc(x, y):
    nrow, ncol = x.shape
    
    objdll = ctypes.CDLL('./mat_add.so')
    
    func = objdll.matAdd
    func.argtypes = [
        ctypes.c_int,
        ctypes.c_int,
        np.ctypeslib.ndpointer(dtype=np.int, ndim=2, shape=(nrow, ncol)),
        np.ctypeslib.ndpointer(dtype=np.int, ndim=2, shape=(nrow, ncol)),
        np.ctypeslib.ndpointer(dtype=np.int, ndim=2, shape=(nrow, ncol))
    ]
    func_restype = None
    
    z = np.empty_like(x)
    func(nrow, ncol, x, y, z)
    return z


if __name__ == '__main__':
    x = np.array([[1, 2], [3, 4]], dtype=np.int)
    y = np.array([[2, 2], [5, 6]], dtype=np.int)
    z = cfunc(x, y)
    print(z)
    print('end')

执行这个python文件，我得到：

$ python mat_add_test.py 
[[                  3                   4]
 [8386863780988286322 7813586346238636153]]
end

返回矩阵的第一行是正确的，但第二行是错误的。我想我没有成功更新 中的值z，但我不知道问题出在哪里。
任何人都可以帮忙吗？很感谢！

标签： pythoncctypes

解决方案

问题中二维数组的处理是正确的。唯一的问题（除了 C 代码如何索引y数组的拼写错误 -y[j][j]应该是y[i][j]）是np.int所以np.int64这不对应于 C int。

为了确保类型匹配，可以在两种语言中指定显式长度。

在 Python 中：使用np.int32ornp.int64显式（而不是np.int）。

在 C: 中#include <stdint.h>，然后相应地使用int32_tor int64_t（可能通过 a typedef），而不是int.

然后问题就消失了。

对于ROWand COL，这些是按值调用的，因此它不太重要（当然前提是值不会溢出）。

这里发生了什么

实际上，二维数组仍然只是内存中的一维值序列。2维只是索引它的一种方便方法。

因此，在 numpy 中，调用 C 之前的数组是（十六进制）：

0000000000000001 0000000000000002 0000000000000003 0000000000000004  <== x
0000000000000002 0000000000000002 0000000000000005 0000000000000006  <== y
UUUUUUUUUUUUUUUU UUUUUUUUUUUUUUUU UUUUUUUUUUUUUUUU UUUUUUUUUUUUUUUU  <== z

其中U表示未定义/未初始化的数据

但是在 C 代码中（假设是小端序），将数组视为 32 位，它会看到：

inputs
00000001 00000000 00000002 00000000 00000003 00000000 00000004 00000000  <== x
00000002 00000000 00000002 00000000 00000005 00000000 00000006 00000000  <== y
UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU  <== z at start

然后 C 代码循环遍历每个元素的前 4 个元素，执行加法运算，因此产生：

00000003 00000000 00000004 00000000 UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU UUUUUUUU  <== z at end

然后使用 64 位 int 类型返回 numpy，现在我们看到：

0000000000000003 0000000000000004 UUUUUUUUUUUUUUUU UUUUUUUUUUUUUUUU  <== output z

解释为二维数组，这是array([[3, 4], [whatever, whatever]])

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