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ctypes

如果你在客户的服务器上，需要调用一个系统动态库（.so 或 .dll），但你没有权限安装编译器（ GCC 、Cython、Visual Studio），可以考虑使用 ctypes 来调用。

可以把 ctypes 的学习分为三个层级：调现成的库、处理数据类型、处理结构体。

调用系统标准库​

run.py
import ctypes
import ctypes.util

# 找到标准 C 库的路径
libc_path = ctypes.util.find_library('c')
libc = ctypes.CDLL(libc_path)

# 调用 C 的 printf
libc.printf(b"Hello from C's printf!\n")

运行：python3 run.py

输出：Hello from C's printf!

处理数据类型​

Python 对象和 C 数据的内存表示完全不同。ctypes 提供了一组与 C 兼容的基础数据类型，充当两者之间的翻译层。

常用类型对照表：

ctypes 类型C 类型Python 类型
c_bool_Boolbool
c_charchar单字符 bytes
c_intintint
c_uintunsigned intint
c_longlongint
c_floatfloatfloat
c_doubledoublefloat
c_char_pchar*bytes 或 None
c_wchar_pwchar_t*str 或 None
c_void_pvoid*int 或 None
run.py
import ctypes
import ctypes.util

libc_path = ctypes.util.find_library('c')
libc = ctypes.CDLL(libc_path)

# --- 指定参数类型和返回类型 ---
# C 原型: double pow(double x, double y)
# 需要加载 libm.so 库
libm_path = ctypes.util.find_library('m')
libm = ctypes.CDLL(libm_path)
# 指定参数类型
libm.pow.argtypes = [ctypes.c_double, ctypes.c_double]
# 指定返回类型
libm.pow.restype = ctypes.c_double
print(libm.pow(2.0, 10.0))  # 1024.0

# --- 传递指针（引用传参）---
# C 原型: int sscanf(const char *str, const char *format, ...)
i = ctypes.c_int()
f = ctypes.c_float()
libc.sscanf(b"42 3.14", b"%d %f", ctypes.byref(i), ctypes.byref(f))
print(i.value, f.value)  # 42 3.140000104904175

# --- 字符串缓冲区 ---
buf = ctypes.create_string_buffer(32)
libc.sprintf(buf, b"Hello %s, %d!", b"ctypes", 2026)
print(buf.value)  # b'Hello ctypes, 2026!'

处理结构体​

C 语言中的结构体（struct）可以将多个不同类型的字段打包在一起。ctypes 通过继承 Structure 并定义 _fields_ 来实现相同的功能。

run.py
import ctypes

class Point(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("x", ctypes.c_double),
        ("y", ctypes.c_double),
    ]

p = Point(3.0, 4.0)
print(f"({p.x}, {p.y})")  # (3.0, 4.0)

# 结构体可以嵌套
class Rect(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("origin", Point),
        ("size", Point),
    ]

r = Rect(Point(0, 0), Point(100, 200))
print(f"origin=({r.origin.x}, {r.origin.y}), size=({r.size.x}, {r.size.y})")

# 结构体数组
PointArray3 = Point * 3
points = PointArray3(Point(1, 2), Point(3, 4), Point(5, 6))
for pt in points:
    print(f"  ({pt.x}, {pt.y})")

C 中大量函数通过指针来传递和返回数据。ctypes 提供了两种方式：

  • POINTER(type) — 创建一个指针类型，如 POINTER(c_int) 相当于 C 的 int*
  • pointer(obj) — 创建一个指向已有实例的指针对象
  • byref(obj) — 轻量版的 pointer()，只能用于函数调用传参，但速度更快
run.py
import ctypes

# POINTER 创建指针类型
IntPointer = ctypes.POINTER(ctypes.c_int)

# pointer 创建指针实例
val = ctypes.c_int(42)
ptr = ctypes.pointer(val)
print(ptr.contents.value)  # 42

# 通过指针修改原始值
ptr.contents.value = 100
print(val.value)  # 100

# byref 是轻量替代，仅用于函数调用传参
# 效果等同于 pointer()，但不创建完整指针对象
import ctypes.util
libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'))
result = ctypes.c_int()
libc.sscanf(b"99", b"%d", ctypes.byref(result))
print(result.value)  # 99

结合结构体使用指针：

run.py
import ctypes
import ctypes.util

class timeval(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("tv_sec", ctypes.c_long),
        ("tv_usec", ctypes.c_long),
    ]

# 仅 Linux/macOS 可用
# C 原型: int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz)
libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'))
tv = timeval()
libc.gettimeofday(ctypes.byref(tv), None)
print(f"seconds since epoch: {tv.tv_sec}")