Python 3.X 调用多线程C模块，并在C模块中回调python函数的示例
由于最近在做一个C++面向Python的API封装项目，因此需要用到C扩展Python的相关知识。在此进行简要的总结。
此篇示例分为三部分。第一部分展示了如何用C在Windows中进行多线程编程；第二部分将第一部分的示例进行扩展，展示了如何在python中调用多线程的C模块；第三部分扩展了第二部分，增加了在C模块的线程中回调python的演示。
本文所用的环境为：64位Win7 + python 3.4 x86 + vs2010
一、windows下的C语言多线程程序
windows下多线程编程比较简单，第一步是包含<windows.h>的头文件，第二步是定义线程函数，第三步在主线程中创建线程并传入线程函数。最后注意要释放线程句柄，避免句柄泄露（不等同于线程泄露）。
在vs2010中新建一个win32控制台应用程序，附加选项中勾选空项目，点完成。新建一个test.cpp的源文件代码如下：
1 #include <stdio.h> 2 #include <windows.h> 3 #include <iostream> 4 using namespace std; 5 6 bool flag; 7 8 DWORD WINAPI setFlag(LPVOID lpParamter) { 9 cout<<"[Thread1]： start\n"; 10 Sleep(10000); 11 cout<<"[Thread1]：now i set flag to true, exit!\n"; 12 flag = true; 13 return 0; 14 } 15 16 DWORD WINAPI doSomething(LPVOID lpParamter) { 17 cout<<"[Thread2]：start\n"; 18 while(flag==false) { 19 Sleep(1000); 20 cout<<"[Thread2]：flag is false, wait...\n"; 21 } 22 cout<<"[Thread2]：oh, flag is true now! exit!\n"; 23 flag = false; 24 return 0; 25 } 26 27 int main(){ 28 cout<<"[MainThread]：start\n"; 29 flag = false; 30 31 HANDLE hTread1 = CreateThread(NULL, 0, setFlag, NULL, 0, NULL); // 创建线程 32 CloseHandle(hTread1); // 通知Windows该句柄已经不需要再使用 33 HANDLE hTread2 = CreateThread(NULL, 0, doSomething, NULL, 0, NULL); 34 CloseHandle(hTread2); 35 cout<<"[MainThread]：exit\n"; 36 getchar(); 37 return 0; 38 }
最终的结果如下（机器不同可能有所出入）：
下面是函数的原型
HANDLE CreateThread(
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
SIZE_T dwStackSize,
LPTHREAD_START_ROUTINE lpStartAddress,
LPVOID lpParameter,
DWORD dwCreationFlags,
LPDWORD lpThreadId
)
BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject
);
CreateThread参数解释：
lpThreadAttributes：指向SECURITY_ATTRIBUTES型态的结构的指针。在Windows 98中忽略该参数。在Windows NT中，NULL使用默认安全性，不可以被子线程继承，否则需要定义一个结构体将它的bInheritHandle成员初始化为TRUE
dwStackSize，设置初始栈的大小，以字节为单位，如果为0，那么默认将使用与调用该函数的线程相同的栈空间大小。任何情况下，Windows根据需要动态延长堆栈的大小。
lpStartAddress，指向线程函数的指针，形式：@函数名，函数名称没有限制，但是必须以下列形式声明：
DWORD WINAPI 函数名 (LPVOID lpParam) //格式不正确将无法调用成功。
lpParameter：向线程函数传递的参数，是一个指向结构的指针，不需传递参数时，为NULL。
dwCreationFlags ：线程标志,可取值如下
（1）CREATE_SUSPENDED(0x00000004)：创建一个挂起的线程，
（2）0：表示创建后立即激活。
（3）STACK_SIZE_PARAM_IS_A_RESERVATION(0x00010000)：dwStackSize参数指定初始的保留堆栈 的大小，否则,dwStackSize指定提交的大小。该标记值在Windows 2000/NT and Windows Me/98/95上不支持。
lpThreadId:保存新线程的id。
返回值：函数成功，返回线程句柄；函数失败返回false。若不想返回线程ID,设置值为NULL。
CloseHandle参数解释：
hObject ：代表一个已打开对象handle。
返回值：TRUE：执行成功；FALSE：执行失败，可以调用GetLastError()获知失败原因。
AI：
1，线程和线程句柄（Handle）不是一个东西，线程是在cpu上运行的.....（说不清楚了），线程句柄是一个内核对象。我们可以通过句柄来操作线程，但是线程的生命周期和线程句柄的生命周期不一样的。线程的生命周期就是线程函数从开始执行到return，线程句柄的生命周期是从CreateThread返回到你CloseHandle()。
2，线程句柄是一种内核对象,系统维护着每一个内核对象,当每个内核对象引用记数为0时,系统就从内存中释放该对象,CloseHandle就是将该线程对象的引用记数减1。所有的内核对象（包括线程Handle）都是系统资源，用了要还的，也就是说用完后一定要closehandle关闭之，如果不这么做，你系统的句柄资源很快就用光了。
只是关闭了一个线程句柄对象，表示我不再使用该句柄，即不对这个句柄对应的线程做任何干预了。并没有结束线程。
二、python中调用C模块的示例
python是个有趣的玩意，一开始只是想学来做个项目，结果越学越上瘾，就好像从贫瘠的德拉诺瞬间穿越到物质丰富的艾泽拉斯，打开了一个新世界的大门....当然这是题外话...
python号称粘性语言，它可以很方便的调用C的模块，从而做到C能做到的一切....
下面在第一部分的基础上，展示了如何使用python/C api，让python能够调用c语言写出来的模块。
Python调用C函数我把它分为四小步：
1.为VS2010中添加python支持，包括在项目的引用目录中添加python34\include，库目录中添加python34\libs，链接库附加库目录中加入python34\dlls，然后在代码中引入Python.h头文件
2.通过python自带的C API，在源码中定义对python的导出函数，然后定义模块的基本信息。
3.编译为动态链接库（windows下为dll，linux下为.so），并更名为.pyd。
4.直接在python中import然后使用。
下面我们开始吧。
重新在vs2010中新建一个win32项目，我命名为mytest，这次我们要选择DLL的应用程序类型。
完成之后在源码中新建mytest.cpp，把示例一中的代码全都复制进去，然后在文件开头引入Python/C API
#include <Python.h>
为了方便看效果，我们注释掉main()函数中的"getchar();"像下面这样。。。
int main(){ cout<<"[MainThread]：start\n"; flag = false; HANDLE hTread1 = CreateThread(NULL, 0, setFlag, NULL, 0, NULL); // 创建线程 CloseHandle(hTread1); // 通知Windows该句柄已经不需要再使用 HANDLE hTread2 = CreateThread(NULL, 0, doSomething, NULL, 0, NULL); CloseHandle(hTread2); cout<<"[MainThread]：exit\n"; //getchar(); return 0; }
然后我们定义一个导出函数（在函数中调用原汁原味的main()...），然后返回一个PyObject*。
PyObject* wrap_main(PyObject* self, PyObject* args) { main(); return Py_BuildValue("i", 0); }
我们知道，python中所有东东都是对象，映射到C里面其实就相当于一个PyObject*。其中的Py_BuildValue("i", 0)用于生成一个PyObject*，其值相当于整型的0。
Py_BuildValue的详情可以看这里：https://docs.python.org/3/c-api/arg.html?highlight=py_buildvalue#c.Py_BuildValue
接着我们要定义一个函数导出列表，说明我们要导出的函数，像下面这样...
// 定义导出函数列表 static PyMethodDef module_methods[] = { {"main", wrap_main, METH_NOARGS, "start thread1 and thread2"}, // METH_NOARGS表示不接收任何参数 {NULL, NULL, 0, NULL} };
PyMethodDef第一个参数指定要导出的函数名称（可以直接在python中用module.xxx()调用），第二个参数指定具体的实现了python/C API的c函数，第三个参数指定函数的参数类型，第四个参数为函数的说明。
详细定义看这里：https://docs.python.org/3/c-api/structures.html#c.PyMethodDef(官网)
然后定义模块信息，并提供一个模块初始化函数：
// 模块基本信息的定义 static PyModuleDef moduledef = { PyModuleDef_HEAD_INIT, "mytest", // 模块名 "test thread", // 模块说明 -1, module_methods // 导出函数列表 }; // 模块初始化函数 PyMODINIT_FUNC PyInit_mytest(void) { PyObject* m; m= PyModule_Create(&moduledef); return m; }
注意：初始化函数名一定要是PyInit_模块名(void)的形式，在示例中模块名为mytest，所以模块初始化函数为，PyInit_mytest(void)
源码编辑大功告成。
不要忘记我们一开始说过的环境配置，右键点击项目-> 属性 。在引用目录中添加python34\include，库目录中添加python34\libs，链接库->附加库目录中加入python34\dlls，点击确定。
生成方式记得要选择Release(Debug模式需要python34_b.dll，然而我们的二进制python包里面没有)，然后右键点击项目 -> 生成 。
我们可以在该项目的release目录下找到生成好的mytest.dll，改为pyd后缀：mytest.pyd。
然后就打开cmd控制台，cd进入项目的release目录，开启python（ipython）进行测试：
import mytest mytest.main()
因为python在执行完c模块中的主线程之后会直接返回，导致一开始的输出乱象——这是正常现象。
如果我们没有注释掉main()中的getchar(); 那么我们可以等待线程执行完以后再敲下回车，这样就不会出现输出乱象。
恭喜您已经完成了此次示例的90%！！
三、C中线程回调python函数的演示
当你完成了前面两步，这一步其实非常简单！
我们的目标是在Thread2，也就是doSomething函数返回之前，调用python中定义的函数。所以，我们要对doSomething进行改造，让其接收一个Python方法，也就是PyObject*对象，并进行回调。
DWORD WINAPI doSomething(LPVOID callback) { cout<<"[Thread2]：start\n"; while(flag==false) { Sleep(1000); cout<<"[Thread2]：flag is false, wait...\n"; } cout<<"[Thread2]：oh, flag is true now! Let's exit and call the Python!!!!\n"; PyGILState_STATE state = PyGILState_Ensure(); // 获取GIL控制权限 PyEval_CallObject((PyObject*)callback, NULL); // 回调python函数 PyGILState_Release(state); // 释放GIL控制权 flag = false; return 0; }
需要说明的是LPVOID本质是一个void*，因此我们可以偷懒，不必更改参数类型，在PyEval_CallObject中强制转换一下类型即可。
PyObject* PyEval_CallObject(PyObject* pfunc, PyObject* pargs)
此函数有两个参数，而且都是Python对象指针，其中pfunc是要调用的Python 函数，一般说来可以使用PyObject_GetAttrString()获得，pargs是函数的参数列表，通常是使用Py_BuildValue()来构建。
我们的回调函数中并不准备接收参数，所以pargs直接为NULL。
微调一下main函数，使其接收一个PyObject*类型的参数
int main(PyObject* callback){ // 接收一个PyObject*参数 cout<<"[MainThread]：start\n"; flag = false; HANDLE hTread1 = CreateThread(NULL, 0, setFlag, NULL, 0, NULL); // 创建线程 CloseHandle(hTread1); // 通知Windows该句柄已经不需要再使用 HANDLE hTread2 = CreateThread(NULL, 0, doSomething, callback, 0, NULL); // 传入callback CloseHandle(hTread2); cout<<"[MainThread]：exit\n"; //getchar(); return 0; }
然后修改一下wrap_main函数，转换获取到的参数对象：
PyObject* wrap_main(PyObject* self, PyObject* args) { PyObject* callback; // 用于获取回调函数的PyObjectzhizhe PyArg_Parse(args, "(O)", &callback); // 类型转换 Py_XINCREF(callback); // 增加计数 main(callback); //调用启用函数 return Py_BuildValue("i", 0); }
函数：int PyArg_Parse(PyObject* args, char* format, ...)
含义：把Python数据类型解析为C的类型，这样C程序中才可以使用Python里面的数据。
宏定义：Py_INCREF(obj)/Py_DECREF()
说明：增加或减少对象obj的引用计数。Py_INCREF()和Py_DECREF()两个函数也有一个先检查对象是否为空的版本，分别为Py_XINCREF()和Py_XDECREF()。编译扩展的程序员必须要注意，代码有可能会被运行在一个多线程的Python环境中。这些线程使用了两个C宏Py_BEGIN_ALLOW_THREADS和Py_END_ALLOW_THREADS，通过将代码和线程隔离，保证了运行和非运行时的安全性，由这些宏包裹的代码将会允许其他线程的运行。
详细信息可见官方文档：https://docs.python.org/3/extending/extending.html#reference-counts
最后一步是修改函数导出中的参数定义，允许函数接收参数：
// 定义导出函数列表 static PyMethodDef module_methods[] = { {"main", wrap_main, METH_VARARGS, "start thread1 and thread2"}, // META_VARARGS表示允许接收可变数量的参数 {NULL, NULL, 0, NULL} };
修改好之后，重新生成DLL，并更改后缀名为pyd。完成！~~~
最后又到了进行测试的时间！测试代码：
import mytest def callback(): print("Oh, I am comeback!!") mytest.main(callback)
当当~~结果又正如你所料！
恭喜你！你已经成功穿越了python与C之间的恶魔之门！^v^
推荐扩展阅读：
教你如何导出C++类到Python，同样也是使用python/c api：《C++导出类到Python》[半根稻草]
Python最权威的手册官方《Python/C API参考手册》
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