源作者:Python部落
python程序中断如何让程序接着运行Python部落(python.freelycode.com)组织翻译，禁止转载，欢迎转发。
满世界都是轮子，从轮子的更深一层又总可以找到另一个轮子。于是，每隔一段时间，世界上一些开发者就会从Python的开发转向对C的探索。从zlib到SQLite，再到OpenSSL，亦或是为了追求速度、效率，亦或是为了追求功能，这种潮流强劲有力、波涛汹涌。好消息是，Python与C的交互可以作为探索的终点。
历史简介
Cpython是最广泛使用的python解释器，通过名字就可以看出来，它是用C编写的。Python的核心开发者提倡并展示了Python强大的C语言根基，在可移植性上采用了传统策略，与世界流行的“一次编写，导出运行”的方式形成了鲜明对比。Python社区与核心开发者携手，开发了几种连接C的方法。这些交互方式经过多年的发展，使Python拥有了优秀的接口环境去调用操作系统、数据处理相关库以及各种C语言提供的资源。
下面的表展示了很多交互方法：
一个表格包含的历史与简介有限，但是所有方法都可以归为以下三类：
直接写C语言
编写代码后转义为C语言
调用含有C接口的库
三类方法各有千秋，下面我们对每一种进行分析，并且列举一些实际应用案例。
编写C
Python的核心开发者能做到的，你也能。为Python写C扩展可以提供很棒的接口，前提是需要了解、编写、建立和调试C代码。由于中断整个进程的段错误比Python的异常更糟糕，所以错误造成的后果也更严重，尤其是在异步环境中同一个进程处理大量请求的时候。此外还需要考虑，扩展要兼容Cpython，以及在其他执行环境中的适用。
在PayPal，我们使用过C扩展来提升服务序列化的速度。当我们解决了构建和可移植性的问题的时候，也就完成了各项引用工作，并且可以直接为新的代码写C扩展。
转义为C
一些开发者经过多年的C编写决定再进一步。
Python风格
Cpython是python的扩展集，它能够将注释型的Python转化为C扩展，已经有近十年的历史了，可以追溯到Python的前身Pyrex。除了成熟性之外，Cpython的一些其他特点值得我们关注：
每个Python文件都是有效的Cpython文件，可进行增量、迭代优化
生成的C代码可移植度高，在Windows、Mac和Linux上均可生成
应用时只需加载生成的C代码，无需安装Cpython
更何况，受科学计算的推动，生成的C代码会使用一些手写起来困难又晦涩的表现技巧。Cpython代码与Python本身高度集成，可以深入到堆栈跟踪及每一行代码。这些足以体现Cpython的强大。
PayPal确实从一些高性能的Cpython应用中获益匪浅，比如gevent，lxml和Numpy。然而我们在2011年第一次使用Cpython时并没有坚持下去，直到2015年，所有的本地扩展才转为使用Cpython编写或重新编写。这在PayPal几乎史无前例。
尝试SWIG
早期在PayPal的Python开发者让我们使用SWIG（简化装饰器及接口生成器）来封装PayPal的C++底层结构。然而经过一段时间后，我们发现与Python风格的技术相比，每一处修改都显得步履蹒跚。不久，我们决定放弃使用。
很久之前，SWIG的扩展模块很符合Python程序员的选择。但近些日子，SWIG的发展似乎更迎合C开发者的追求：简洁快速地封装与其他语言的绑定。这也说明，SWIG的替代库与SWIG中用于Python的用法一样多，我们可以试试其他方法。
调用C
上面的示例交互方法都涉及到额外的构建步骤、可移植性问题以及Python以外的语言知识。下面我们深入一些更接近Python本身动态特性的交互方法：ctypes和cffi。
ctypes和cffi都利用了C语言的外部函数接口（FFI），通过这个底层接口可以获取编译文件的可调用入口，比如Linux、FreeBSD等系统中的共享对象（.so文件）和Windows系统中的动态链接库（.dll文件）。共享文件在调用之前需要一些额外的工作，所以ctypes和cffi都使用了libffi，通过libffi才可以动态调用其他C语言库。
libffi可以弥补一些C语言库的不足。Linux的.so文件、Windows的.dll文件和OS X的.dylib文件只能提供符号：名称到内存地址的映射，而更多的是函数指针。动态链接器并不提供使用内存地址的方法。当动态地将共享库链接到C代码时，头文件就会提供函数签名。只要共享的库和应用程序被ABI（应用程序二进制接口）兼容，就不会出错。ABI由C语言编译器定义，通常都小心管理，避免频繁修改。
然而，Python并不是一个C语言编译器，所以即便有内存地址和函数签名，也不能够调用C，这就是libffi的作用所在。如果符号定义了调用接口的位置，头部文件定义了需调用的接口，那么libffi就会将二者转化为调用接口的方法。这还不够，在其他任务中我们仍需要一个高于libffi的层，来将本地的Python类型与C类型相互转换。
ctypes
ctypes是一个较早的Python化的与FFI交互的方法，最值得注意的是它被包含在Python标准库中。
ctypes不仅能用，并且很好用，广泛应用于Cpython，PyPy，Jython，IronPython等优秀Python项目中。通过ctypes可以在无需任何外部依赖时，利用纯Python代码访问C的接口。这在快速调用C时很方便，比如一个Windows接口没有暴露在操作系统模块中的情形。如果你有少量的小模块需要访问一两个C函数，ctypes可以在不添加重量级依赖的情况下就可以实现。
一段时间以来，PayPal的Python代码放弃了SWIG转向ctypes。我们发现调用普通共享对象（由C++建立的外部C程序）要比处理SWIG的工具链方便的多。在调用广泛使用的共享对象时，ctypes在整个代码中用的很少。典型的例子就是优秀的开源项目oscrypto，它主要用来实现网络安全。ctypes对于大型库、更新较快的库来说并不适用。将签名从头文件移到Python代码中极易出错，而且工作量庞大。
cffi
python程序中断如何让程序接着运行cffi来自于PyPy项目，是现在最流行的集成C的方法。开发者们过去一直在寻找一种能够发挥PyPy优化潜力的方法，最终他们创建了一个库，并弥补了ctypes很多不足。使用起来也很方便，从C的头文件中引用复制即可，无需人工编写函数签名的Python表达。
cffi的便利，也带来了局限性。考虑预处理宏时，C几乎变成了另一种语言。当宏执行字符串替换时，复杂程度超乎你的想象。由于cffi受到预处理宏的约束，cffi是否适用需要考虑你所集成的库。
cffi确实实现了在PyPy下优于ctypes的目的，但是在Cpython下仍然不相伯仲。cffi依然很年轻，它的未来很值得我们期待。
集三者之大成：PKCS11
PKCS11是一套密码标准，许多硬件、软件安全系统在交互时都采用它。200多页的核心规范说明中介绍了客户端接口：一套大量的C头部信息。信息里有很多向前兼容绑定，但是不同供应商的设备又有不同的喜好，它是如何做到兼容的呢？
元编程
上面提到，ctypes对于新增的接口支持的并不好。转换函数签名的复杂工作就会造成转录错误。我们确实有少量的自动化操作高需求，但ctypes远不够完美。
第二个方法是cffi，它在第一版支持的特征子集中能够正常运行。但是PKCS11定义函数遵循的是自己的CK_DECLARE_FUNCTION宏，而不是常规的C语法。因此cffi会跳过预处理命令#define宏，造成C代码不可被解析，最终不可用。另外，还有一些编译器或者操作系统自带的宏符号也会被跳过，如__cplusplus，_WIN32_，__linux__等。所以就算cffi成功处理了很多宏，也会出现新的错误。
简而言之，问题很严峻，PKCS11很粗糙，尤其体现在以下方面：
大量的重要常量使用#define定义
同一文件中，宏被多次定义
pkcs11.h文件被包含多次，甚至作为一个结构体时也会被包含多次
后来我们发现，这套标准很少变动，最好的办法就是为标准所使用的特定规则编写一个严格的分析程序，再通过Cpython生成C，这样我们终于能够完全顺利地访问客户端了，在一些特殊情况下甚至还有性能的提升。啃下这块硬骨头花了我们一天半的时间，并且大家对结果很满意。
解析表达式语法
解析表达式语法（PEGs）使用了真正意义的编译器的来生成抽象语法树，并且支持正则表达式，这与Python生成抽象语法树有着本质区别。一些人把解析表达式看成是递归的正则表达式。Python有一些库很好，例如parsimonious和parsley。parsimonious很简练，我们以前使用过。
我们定义了两种语法，一种用于pkcs11f.h，一种用于pkcs11t.h：
代码语法风格很强，短小精悍。纵观全局，代码描述的是一个很清晰地过程：
代码放在头文件中，用来获取抽象语法树
按照抽象语法树，筛选出应用中重要的部分与函数签名
从函数签名数据结构中生成代码
仅仅200行代码就实现了可靠的强大标准，并兼具Cpython的可移植性与高性能。这体现了解析表达式语法的强大，解析表达式语法也是PayPal在Python实践应用中的佼佼者。
总结
探索过程并不是一帆风顺的，但我们坚持住了，并且很欣慰能够攻克难关。回顾一下：
Python与C关系十分紧密
不同的集成C的技术有不同的适用环境，我们的建议是：
ctypes用于动态调用小而稳定的接口
cffi用于动态调用更大的接口，PyPy更能体现优越性
如果你擅长旧式的C扩展，也可以选择
其余情况推荐基于Cpython的C扩展
不推荐SWIG
解析表达式语法很赞
从文章可以看出我们热爱Python的原因。Python是一个很棒、很火的语言，但作为一门操作系统和生态系统的语言来说又有一些不足。恰恰是从无到有、从少到多、上下贯通、不断发展使得Python成为了不可替代、无与伦比的语言。
英文原文：https://www.paypal-engineering.com/2016/09/22/python-by-the-c-side/
译者：爱生活没道理
