استدعاء C++ باستخدام pybind11

حين يحتاج بايثون إلى C++

جزء كبير من الشيفرة الجادة في عالم التداول هو C++: محركات المطابقة ومعالجات بيانات السوق ومكتبات التسعير المضبوطة على مدى خمس عشرة سنة. ونادرًا ما تريد إعادة كتابتها ونادرًا ما تريد التخلي عن بايثون للبحث. وpybind11 هو الجسر: مكتبة C++ رؤوس فقط تكتب فيها بضعة أسطر تقول «اعرض دالة C++ هذه لبايثون بهذا الاسم» ثم تترجمها إلى مكتبة مشتركة وتستوردها من بايثون كأي وحدة. وتُحوَّل الوسائط والنتائج عنك: قائمة بايثون من الأعداد العشرية تصبح std::vector<double> والعكس.

# A C++ function and the pybind11 file that exposes it to Python (shown here as text)
cpp = """\
#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/stl.h>
#include <vector>

namespace py = pybind11;

double mean(const std::vector<double>& x) {
    double total = 0.0;
    for (double v : x) total += v;
    return x.empty() ? 0.0 : total / x.size();
}

PYBIND11_MODULE(fastmath, m) {
    m.def("mean", &mean, "Mean of a list of floats");
}
"""
lines = cpp.splitlines()
print(lines[-2].strip())                             # m.def("mean", &mean, "Mean of a list of floats");
print(len(lines))                                    # 15

الأنواع عبر الجسر

لكل نوع في بايثون نظير في C++: int هو int64_t وfloat هو double وstr هو std::string وقائمة الأعداد العشرية هي std::vector<double>؛ وكل ما عدا ذلك يمكن حمله كـ py::object عام. وتضمين <pybind11/stl.h> يجعل تحويلات الحاويات القياسية تلقائية. ومرّر القيم الكبيرة بمرجع ثابت (const std::vector<double>& x) كي لا تنسخها دالة C++ والصغيرة كالأعداد بالقيمة. وتحويل قائمة بايثون إلى متجه ينسخ مرة لكل نداء، فللمصفوفات الكبيرة استعمل py::array_t<double> الذي يرى ذاكرة مصفوفة NumPy مباشرة دون نسخ.

# Choosing the C++ type of each argument; big values are passed by const reference
CPP_TYPES = {"int": "int64_t", "float": "double", "str": "std::string", "list[float]": "std::vector<double>"}

def cpp_type(py_type):
    return CPP_TYPES.get(py_type, "py::object")

def cpp_signature(name, params, returns):
    result = "void" if returns is None else cpp_type(returns)
    arguments = []
    for param, py_type in params:
        ctype = cpp_type(py_type)
        arguments.append(f"const {ctype}& {param}" if ctype.startswith("std::") else f"{ctype} {param}")
    return f"{result} {name}({', '.join(arguments)})"

print(cpp_signature("mean", [("x", "list[float]"), ("n", "int")], "float"))      # double mean(const std::vector<double>& x, int64_t n)
print(cpp_signature("label", [("symbol", "str")], "str"))                       # std::string label(const std::string& symbol)

البناء وGIL والملكية

يُبنى بـ CMake (pybind11_add_module) أو بـ pybind11.setup_helpers في setup.py والناتج ملف .so أو .pyd تستورده. أمران يجب معرفتهما. الأول أن قفل المفسّر العام (GIL) يبقى ممسوكًا أثناء تنفيذ شيفرة C++ ما لم تحرره بـ py::gil_scoped_release؛ والحساب الطويل في C++ الذي لا يلمس كائنات بايثون ينبغي أن يحرره لتعمل خيوط بايثون الأخرى. والثاني الملكية: إن أرجعت C++ مرجعًا أو مؤشرًا إلى ذاكرتها فلا يجوز أن يعيش بايثون أكثر منها (يتحكم py::return_value_policy في ذلك)، والانهيار بلا تتبع بايثون يدل عادة على مؤشر متدلٍّ. واختبر الدوال المربوطة من بايثون مقابل نسخة بايثون خالصة تمامًا كما في المختبرات السابقة.

# Binding lines and the module file, generated from a table of functions
BACKSLASH = chr(92)

def binding_line(py_name, cpp_name, doc):
    escaped = doc.replace(BACKSLASH, BACKSLASH + BACKSLASH).replace('"', BACKSLASH + '"')
    return f'm.def("{py_name}", &{cpp_name}, "{escaped}");'

def module_source(module, functions):
    lines = ["#include <pybind11/pybind11.h>", "#include <pybind11/stl.h>", "", "namespace py = pybind11;", ""]
    lines.append(f"PYBIND11_MODULE({module}, m) {{")
    for py_name, cpp_name, doc in functions:
        lines.append("    " + binding_line(py_name, cpp_name, doc))
    lines.append("}")
    return "\n".join(lines) + "\n"

source = module_source("pricing", [("mean", "mean_impl", "Mean of x"), ("price", "bs_price", 'Black-Scholes "call" price')])
print(source.splitlines()[-3])                       #     m.def("mean", &mean_impl, "Mean of x");
print(source.splitlines()[-2])                       #     m.def("price", &bs_price, "Black-Scholes \"call\" price");

# From Python the built module is used like any other; this stand-in has the same interface
import types

def mean(x):
    """Mean of a list of floats"""
    return sum(x) / len(x) if x else 0.0

fastmath = types.SimpleNamespace(mean=mean)          # stands in for `import fastmath` after the build
print(fastmath.mean([100.0, 102.0, 101.0]))          # 101.0
print(fastmath.mean.__doc__)                         # Mean of a list of floats   the doc string given to m.def
print(fastmath.mean([]))                             # 0.0   what the C++ code returns for an empty vector

• يعرض pybind11 دوال C++ لبايثون بـ PYBIND11_MODULE وأسطر m.def(...)؛ والناتج وحدة .so/.pyd قابلة للاستيراد.
• تتقابل الأنواع: int←int64_t وfloat←double وstr←std::string والقوائم←std::vector؛ ومرّر القيم الكبيرة بمرجع ثابت ومصفوفات NumPy بـ py::array_t.
• حرّر GIL في الأعمال الطويلة بـ C++ خالصة، وانتبه لمن يملك الذاكرة المُرجَعة، وتحقق من المدخلات عند الحدود، واختبر مقابل نسخة بايثون خالصة.

التالي: الخيوط وGIL، ما تستطيع خيوط بايثون فعله بالتوازي وما لا تستطيع.

المختبر: ما الذي يُقيَّم

• اربط أنواع بايثون بأنواع C++ باستخدام cpp_type25 نقطة
• صرّح بدالة باستخدام cpp_signature25 نقطة
• اعرض دالة باستخدام binding_line25 نقطة
• اجمع الوحدة باستخدام module_source25 نقطة