不懂这几个问题就落后了:Python、Android开发者必读!


Android 平台的Python:

(本文以Python3为例,Python3是未来,大家都懂的)

Python作为一个功能强大又语法简洁的语言,其应用已无需多言。要想在Android平台运行起Python,也有方案实现,其实质就是在Android系统上搭建Python环境。对此Google已经提供了SL4A(Scripting Layer for Android )方案,支持多种脚本语言,除此之外,还可以使用一个叫QPython的app,可以直接在Android上编写以及运行Python代码。但其实意义不大,写好的Python代码并不是以一个独立的app进程运行的,只不过是在QPython这个应用中运行而已。这两者都不符合我现在要讨论的东西,如题,笔者想要讨论的是如何在Android平台使用Java与Python代码相互调用,换言之,就是如何在Android工程中嵌入一个Python解释器。

首先谈一点,为什么要在Android平台使用Python?Python拥有众多强大的第三方库和框架,在机器学习、大数据处理等诸多方面都有不俗的应用。另外,就语法而言,Python比Java更加简洁,同时又功能强大,既可面向过程亦可面向对象,而不像Java一样,是一种纯粹的面向对象语言,哪怕打印一句话也需要先创建类。Python作为一种脚本语言,可以边解释边执行,而不需编译,另外Python中存在的元类,可以使我们动态的创建类,如此可以在不需要重新编译安装apk的情况下,动态的由远程服务端为Android项目添加功能。我们还可以将Python已有的一些东西移植到Android平台,例如tornado、django等,总之玩法多多。

在Android平台,官方并不支持直接使用Python开发app,基于虚拟机的Java(或kotlin)才是更好的选择,其他语言是无法自如的使用官方Framework提供的api的,尤其是在程序界面的表现上,典型的反例就是kivy。什么是kivy,可自行了解,但要解决Android平台上Java与Python的交互,kivy确实是一个方向,而且是一个醍醐灌顶的方向。kivy实际上已经解决我们需要实现的目的,模仿Android平台上的kivy实现机制即可。但是,kivy使用的是Cython解释器,非CPython解释器,需要学习Cython语法,并且在其他一些方面存在一些限制。kivy给我们提供的思路就是借助Java的jni机制,实现Python与Java的交互。即在一个安卓apk工程中包含一个cython.so解释器,通过jni机制调用解释器去解释执行Python代码,通过Java调C,C调Python实现交互。有一点需要说明,Python作为一门胶水语言,Python与C的交互是非常方便的,因此才能实现这一系列调用。

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关于该种方案,已有国外网友实践,原理如下

不懂这几个问题就落后了:Python、Android开发者必读!

链接地址

除此之外,本博客将通过另外两种方案实现。其中第一种类似上述方案,但集成CPython解释器,非Cython,因此需要掌握如何实现Python与C的交互。

Python与C交互基础

C调用Python

  • 简单使用
  • 流程:
  • 初始化Python解析器
  • 执行Python代码,字符串,对象或模块。
  • 关闭Python解析器。
  • 创建一个.c源文件,代码如下,创建一个pytest.py文件,实现一个printTime函数
#include<Python.h>
int main()
{
Py_Initialize();//初始化Python解析器
if (!Py_IsInitialized())
{
printf("Initialize failed");
return -1;
}
PyRun_SimpleString("print('hello C !')");
PyRun_SimpleString("import pytest");
PyRun_SimpleString("pytest.printTime()");
Py_Finalize();/关闭Python解析器
return 0;
}
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注意:除了用PyRun_SimpleString函数直接运行代码,还可以使用PyRun_SimpleFile函数运行一个Python脚本

原型:PyRun_SimpleFile(FILE *fp, const char *filename) ,由于版本差异,使用该方式可能会造成崩溃,推荐另一种替代方式

PyRun_SimpleString(“execfile(“test.py”)”)

  • 调用Python函数
  • pytest.py
import time

def printTime():
print('invoke printTime:'+str(time.time()))
return (1,)#元组只有一个元素时,需在末尾加逗号
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  • C 代码
int main()
{
PyObject * module_name,*module,*func,*dic;
char * fun_name = "printTime";//需调用的Python函数名
PyObject *resultValue;

Py_Initialize();
if (!Py_IsInitialized())
{
printf("Initialize failed");
return -1;
}

//导入Python 模块并检验
module_name = Py_BuildValue("s", "pytest");
module = PyImport_Import(module_name);


if (!module)
{
printf("import test failed!");
return -1;
}

//获取模块中的函数列表,是一个函数名和函数地址对应的字典结构
dic = PyModule_GetDict(module);
if (!dic)
{
printf("failed !\n");
return -1;
}

func = PyDict_GetItemString(dic, fun_name);
if (!PyCallable_Check(func))
{
printf("not find %s\n", fun_name);
return -1;
}

int r;
//获取Python函数返回值,是一个元组对象
resultValue = PyObject_CallObject(func, NULL);
PyArg_ParseTuple(resultValue, "i", &r);
printf("result :%d\n", r);

Py_DECREF(module);
Py_DECREF(dic);
Py_Finalize();
return 0;
}
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  • 基础api
  • C API 调用Python 对应 PyImport_ImportModelimport modulePyImport_ReloadModulereload(module)PyImport_GetModuleDictmodule.__dict__PyDict_GetItemStringdict[key]PyDict_SetItemStringdict[key] = valuePyDict_Newdict = {}PyObject_GetAttrStringgetattr(obj, attr)PyObject_SetAttrStringsetattr(obj, attr, val)PyObject_CallObjectfuncobj(*argstuple)PyEval_CallObjectfuncobj(*argstuple)PyRun_Stringeval(exprstr) , exec(stmtstr)PyRun_Fileexec(open(filename().read())
  • Py_BuildValue()函数
  • 作用:将C/C++类型类型的数据转变成PyObject*对象。
  • 原型:PyAPI_FUNC(PyObject*) Py_BuildValue(const char *format, …);
  • 参数解释:
  • format及转换格式,类似与C语言中%d,%f,后面的不定参数对应前面的格式,具体格式如下:
  • “s”(string) [char *] :将C字符串转换成Python对象,如果C字符串为空,返回NONE。
  • “s#”(string) [char *, int] :将C字符串和它的长度转换成Python对象,如果C字符串为空指针,长度忽略,返回NONE。
  • “z”(string or None) [char *] :作用同”s”。
  • “z#” (stringor None) [char *, int] :作用同”s#”。
  • “i”(integer) [int] :将一个C类型的int转换成Python int对象。
  • “b”(integer) [char] :作用同”i”。
  • “h”(integer) [short int] :作用同”i”。
  • “l”(integer) [long int] :将C类型的long转换成Pyhon中的int对象。
  • “c”(string of length 1) [char] :将C类型的char转换成长度为1的Python字符串对象。
  • “d”(float) [double] :将C类型的double转换成python中的浮点型对象。
  • “f”(float) [float] :作用同”d”。
  • “O&”(object) [converter, anything] :将任何数据类型通过转换函数转换成Python对象,这些数据作为转换函数的参数被调用并且返回一个新的Python对象,如果发生错误返回NULL。
  • “(items)”(tuple) [matching-items] :将一系列的C值转换成Python元组。
  • “[items]”(list) [matching-items] :将一系列的C值转换成Python列表。
  • “{items}”(dictionary) [matching-items] :将一系类的C值转换成Python的字典,每一对连续的C值将转换成一个键值对。
  • 例:
  • 后面为PyObject的返回值
 Py_BuildValue("")None

Py_BuildValue("i",123) 123

Py_BuildValue("iii",123, 456, 789) (123, 456, 789)

Py_BuildValue("s","hello") 'hello'

Py_BuildValue("ss","hello", "world") ('hello', 'world')

Py_BuildValue("s#","hello", 4) 'hell'

Py_BuildValue("()")()

Py_BuildValue("(i)",123) (123,)

Py_BuildValue("(ii)",123, 456) (123, 456)

Py_BuildValue("(i,i)",123, 456) (123, 456)

Py_BuildValue("[i,i]",123, 456) [123, 456] Py_BuildValue("{s:i,s:i}", "abc",123, "def", 456) {'abc': 123, 'def': 456}

Py_BuildValue("((ii)(ii))(ii)", 1, 2, 3, 4, 5, 6) (((1, 2), (3, 4)), (5, 6))
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  • PyArg_ParseTuple函数
  • 作用:此函数其实相当于sscanf(str,format,…),是Py_BuildValue的逆过程,这个函数将PyObject参数转换成C/C++数据类型,传递的是指针,但这个函数与Py_BuildValue有点不同,这个函数只能解析Tuple元组,而Py_BuildValue函数可以生成元组,列表,字典等。
  • 原型:PyAPI_FUNC(int) PyArg_ParseTuple(PyObject *args, const char *format,…)
  • Args:一般为Python程序返回的元组。
  • Foramt:与Py_BulidValue类型,就不在累述咯。
  • 元组操作函数:
  • 因为程序之间传递的参数,大多数为Tuple类型,所以有专门的函数来操作元组:
  • PyAPI_FUNC(PyObject *)PyTuple_New(Py_ssize_t size);
  • 解释:新建一个参数列表(调试了下,发现其实是用链表实现的),size列表为长度的宽度
  • PyAPI_FUNC(Py_ssize_t)PyTuple_Size(PyObject *);
  • 解释:获取该列表的大小
  • PyAPI_FUNC(PyObject )PyTuple_GetItem(PyObject , Py_ssize_t);
  • 解释:获取该列表某位置的值
  • PyAPI_FUNC(int) PyTuple_SetItem(PyObject ,Py_ssize_t, PyObject );
  • 解释:设置该列表此位置的值。如PyTuple_SetItem(pyParams,1,Py_BuildValue(“i”,2));设置第2个位置的值为2的整数。
  • 备注:对应的列表和字典也有对应的操作

更多的接口调用以及数据类型转化,参照Python文档

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Python 调用C

Python调用C有两种方式

  • 使用ctypes模块,Python文档有详细示例
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  • 使用C为Python编写拓展模块
  • Python之所以如此强大,正是由于可以使用C\C++为其编写拓展模块,手动编写拓展模块的方式稍微有些繁琐,可借用SWIG自动实现,简洁快速。更多详细的SWIG用法,见其官方文档
  • 官网下载 windows包并解压
  • 使用vs创建空项目,并配置vs。右键当前项目,选择属性
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  • 现在使用C为Python创建一个叫user的拓展模块,该模块包含一个showHello函数:
  • 分别创建三个文件
  • user.i
  • user.c
  • user_wrap.c
  • 在user.i中添加如下代码
%module user
%inline %{
extern void showHello();
%}
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  • user.c中添加
 
#include <stdio.h>

void showHello()
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printf("hello Python!\n");

}
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  • 右键user.i 文件并选择属性
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  • 点击应用后如下图,完成配置
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  • 右键当前项目,选择属性,完成如下配置,确定
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  • 最后生成即可(选择工具栏 生成 –> 批生成)
  • 创建测试代码调用C验证
import user
user.show()
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  • 在Linux下则无需如此麻烦的配置,可直接使用命令
On Unix the compilation of examples is done using the file Example/Makefile. This makefile performs a manual module compilation which is platform specific. Typically, the steps look like this (Linux):


% swig -python interface.i
% gcc -fpic -c interface_wrap.c -I/usr/local/include/python1.5
% gcc -shared interface_wrap.o $(OBJS) -o interfacemodule.so
% python
Python 1.5.2 (#3, Oct 9 1999, 22:09:34) [GCC 2.95.1 19990816 (release)] on linux2
Copyright 1991-1995 Stichting Mathematisch Centrum, Amsterdam
>>> import interface
>>> interface.blah(...)
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  • 此处.i文件为SWIG的接口文件,其中%module后面定义模块名,用%inline定义方法列表
%inline %{
包含导出的函数
%}
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有了Python与C的交互基础,则还需要Android中的NDK开发基础,关于Android平台的jni调用,本文不在此处详解,可看看我的JNI方面博客,而此处我们需要使用Crystax NDK开发工具链,非官方NDK工具链,需自行下载。下一篇正式涉及Python for Android。