三种包装方式 - 入门#

使用 F2PY 将 Fortran 或 C 函数包装到 Python 包括以下步骤:

创建所谓的 signature file ,其中包含 Fortran 或 C 函数的包装器的描述,也称为函数的签名.对于 Fortran 例程,F2PY 可以通过扫描 Fortran 源代码并跟踪创建包装函数所需的所有相关信息来创建初始签名文件.
- (可选)可以编辑 F2PY 创建的签名文件以优化包装器函数,这可以使它们更"智能"和更"Pythonic".
F2PY 读取签名文件并写入包含 Fortran/C/Python 绑定的 Python C/API 模块.
F2PY 编译所有源文件并构建包含包装器的扩展模块.
- 在构建扩展模块时,F2PY 使用 meson 并且过去使用过 numpy.distutils .有关不同构建系统,请参见 F2PY 和构建系统 .

备注

请参阅 1 迁移到 meson 获取迁移信息.

根据您的操作系统,您可能需要单独安装 Python 开发头文件(它提供文件 Python.h ).在基于 Linux Debian 的发行版中,此软件包应称为 python3-dev ,在基于 Fedora 的发行版中,它是 python3-devel .对于 macOS,取决于 Python 的安装方式,结果可能会有所不同.在 Windows 中,通常已经安装了头文件,请参见 F2PY 和 Windows .

备注

F2PY 支持 SciPy 测试的所有操作系统,因此它们的 system dependencies panel 是一个很好的参考.

根据具体情况,这些步骤可以在单个复合命令中执行,也可以逐步执行.在这种情况下,可以省略某些步骤或将其与其他步骤组合在一起.

下面,我们描述了三种使用 F2PY 和 Fortran 77 的典型方法.可以按照工作量递增的顺序阅读这些方法,但也要根据 Fortran 代码是否可以自由修改来满足不同的访问级别.

以下示例 Fortran 77 代码将用于说明,将其另存为 fib1.f :

C FILE: FIB1.F
      SUBROUTINE FIB(A,N)
C
C     CALCULATE FIRST N FIBONACCI NUMBERS
C
      INTEGER N
      REAL*8 A(N)
      DO I=1,N
         IF (I.EQ.1) THEN
            A(I) = 0.0D0
         ELSEIF (I.EQ.2) THEN
            A(I) = 1.0D0
         ELSE 
            A(I) = A(I-1) + A(I-2)
         ENDIF
      ENDDO
      END
C END FILE FIB1.F

备注

F2PY 解析 Fortran/C 签名以构建与 Python 一起使用的包装器函数.但是,它不是编译器,并且不检查源代码中的其他错误,也不实现整个语言标准.某些错误可能会静默地传递(或作为警告),并且需要用户验证.

快速方法#

在 Python 中使用最快的方式来封装 Fortran 子例程 FIB 是运行

python -m numpy.f2py -c fib1.f -m fib1

或者,如果 f2py 命令行工具可用,则可以这样:

f2py -c fib1.f -m fib1

备注

由于 f2py 命令可能在所有系统中都不可用,尤其是在 Windows 上,我们将在本指南中使用 python -m numpy.f2py 命令.

此命令编译并封装 fib1.f ( -c ) 以在当前目录中创建扩展模块 fib1.so ( -m ).可以通过执行 python -m numpy.f2py 查看命令行选项列表.现在,在 Python 中,可以通过 fib1.fib 访问 Fortran 子例程 FIB

>>> import numpy as np
>>> import fib1
>>> print(fib1.fib.__doc__)
fib(a,[n])

Wrapper for ``fib``.

Parameters
----------
a : input rank-1 array('d') with bounds (n)

Other parameters
----------------
n : input int, optional
    Default: len(a)

>>> a = np.zeros(8, 'd')
>>> fib1.fib(a)
>>> print(a)
[  0.   1.   1.   2.   3.   5.   8.  13.]

备注

请注意,F2PY 识别到第二个参数 n 是第一个数组参数 a 的维度.由于默认情况下所有参数都是只输入参数,因此 F2PY 得出结论: n 可以是可选的,默认值为 len(a) .

可以为可选的 n 使用不同的值:

>>> a1 = np.zeros(8, 'd')
>>> fib1.fib(a1, 6)
>>> print(a1)
[ 0.  1.  1.  2.  3.  5.  0.  0.]

但是,当它与输入数组 a 不兼容时,会引发异常:

>>> fib1.fib(a, 10)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
fib.error: (len(a)>=n) failed for 1st keyword n: fib:n=10
>>>

F2PY 实现了相关参数之间的基本兼容性检查,以避免意外崩溃.

当一个 NumPy 数组是 Fortran contiguous 并且具有与假定的 Fortran 类型相对应的 dtype 时,它的 C 指针会直接传递给 Fortran.

否则,F2PY 会创建输入数组的连续副本(具有正确的 dtype ),并将副本的 C 指针传递给 Fortran 子例程.因此,对(副本)输入数组的任何可能更改都不会影响原始参数,如下所示:
```
>>> a = np.ones(8, 'i')
>>> fib1.fib(a)
>>> print(a)
[1 1 1 1 1 1 1 1]
```
显然,这是出乎意料的,因为 Fortran 通常是按引用传递的.上面的示例可以使用 dtype=float 被认为是偶然的.

F2PY 提供了一个 intent(inplace) 属性,该属性修改输入数组的属性,以便 Fortran 例程所做的任何更改都将反映在输入参数中.例如,如果指定 intent(inplace) a 指令(有关详细信息,请参见属性 ),则上面的示例将读取:
```
>>> a = np.ones(8, 'i')
>>> fib1.fib(a)
>>> print(a)
[  0.   1.   1.   2.   3.   5.   8.  13.]
```
但是,将 Fortran 子例程所做的更改传播到 Python 的推荐方法是使用 intent(out) 属性.这种方法更有效,也更简洁.
在 Python 中使用 fib1.fib 与在 Fortran 中使用 FIB 非常相似.但是,在 Python 中使用原位输出参数是一种不良风格,因为 Python 中没有安全机制来防止错误的参数类型.使用 Fortran 或 C 时,编译器会在编译过程中发现任何类型不匹配,但在 Python 中,必须在运行时检查类型.因此,在 Python 中使用原位输出参数可能会导致难以发现的错误,更不用说在实现所有必需的类型检查时代码的可读性会降低.

到目前为止,讨论的为 Python 封装 Fortran 例程的方法非常简单,但它有几个缺点(请参阅上面的评论).缺点是由于 F2PY 无法确定参数的实际意图;也就是说,区分输入和输出参数存在歧义.因此,默认情况下,F2PY 假定所有参数都是输入参数.

有一些方法(见下文)可以通过"教" F2PY 关于函数参数的真实意图来消除这种歧义,然后 F2PY 能够为 Fortran 函数生成更明确,更易于使用且不易出错的包装器.

明智的方法#

如果我们希望更好地控制 F2PY 如何处理与 Fortran 代码的接口,我们可以逐步应用封装步骤.

首先,我们通过运行以下命令从 fib1.f 创建一个签名文件:

python -m numpy.f2py fib1.f -m fib2 -h fib1.pyf

签名文件保存到 fib1.pyf (参见 -h 标志),其内容如下所示.

!    -*- f90 -*-
python module fib2 ! in 
    interface  ! in :fib2
        subroutine fib(a,n) ! in :fib2:fib1.f
            real*8 dimension(n) :: a
            integer optional,check(len(a)>=n),depend(a) :: n=len(a)
        end subroutine fib
    end interface 
end python module fib2

! This file was auto-generated with f2py (version:2.28.198-1366).
! See http://cens.ioc.ee/projects/f2py2e/

接下来,我们将"教" F2PY 参数 n 是一个输入参数(使用 intent(in) 属性),并且结果,即在调用 Fortran 函数 FIB 之后 a 的内容,应该返回到 Python (使用 intent(out) 属性).此外,应该使用由输入参数 n 确定的大小动态创建数组 a (使用 depend(n) 属性来指示这种依赖关系).

一个适当修改的 fib1.pyf 文件的内容(保存为 fib2.pyf )如下:
```
!    -*- f90 -*-
python module fib2 
    interface
        subroutine fib(a,n)
            real*8 dimension(n),intent(out),depend(n) :: a
            integer intent(in) :: n
        end subroutine fib
    end interface 
end python module fib2
```
最后,我们通过运行以下命令,使用 numpy.distutils 构建扩展模块:
```
python -m numpy.f2py -c fib2.pyf fib1.f
```

在 Python 中:

>>> import fib2
>>> print(fib2.fib.__doc__)
a = fib(n)

Wrapper for ``fib``.

Parameters
----------
n : input int

Returns
-------
a : rank-1 array('d') with bounds (n)

>>> print(fib2.fib(8))
[  0.   1.   1.   2.   3.   5.   8.  13.]

备注

fib2.fib 的签名现在更符合 Fortran 子程序 FIB 的意图:给定数字 n , fib2.fib 返回前 n 个斐波那契数作为 NumPy 数组.新的 Python 签名 fib2.fib 也排除了 fib1.fib 中意外的行为.
请注意,默认情况下,使用单个 intent(out) 也意味着 intent(hide) .指定了 intent(hide) 属性的参数将不会在包装函数的参数列表中列出.

有关更多详细信息,请参阅签名文件 .

快速而聪明的方法#

如上所述,包装 Fortran 函数的"聪明方法"适用于包装(例如,第三方)Fortran 代码,这些代码不希望甚至不可能对其源代码进行修改.

但是,如果可以编辑 Fortran 代码,则在大多数情况下可以跳过生成中间签名文件的步骤.可以使用 F2PY 指令将 F2PY 特定的属性直接插入到 Fortran 源代码中.F2PY 指令由特殊的注释行(例如,以 Cf2py 或 !f2py 开头)组成,Fortran 编译器会忽略这些注释行,但 F2PY 会将其解释为普通行.

考虑一个使用 F2PY 指令修改后的 Fortran 代码版本,保存为 fib3.f :

C FILE: FIB3.F
      SUBROUTINE FIB(A,N)
C
C     CALCULATE FIRST N FIBONACCI NUMBERS
C
      INTEGER N
      REAL*8 A(N)
Cf2py intent(in) n
Cf2py intent(out) a
Cf2py depend(n) a
      DO I=1,N
         IF (I.EQ.1) THEN
            A(I) = 0.0D0
         ELSEIF (I.EQ.2) THEN
            A(I) = 1.0D0
         ELSE 
            A(I) = A(I-1) + A(I-2)
         ENDIF
      ENDDO
      END
C END FILE FIB3.F

现在可以通过一个命令来构建扩展模块:

python -m numpy.f2py -c -m fib3 fib3.f

请注意,生成的 FIB 包装器与前一种情况一样”聪明”(明确):

>>> import fib3
>>> print(fib3.fib.__doc__)
a = fib(n)

Wrapper for ``fib``.

Parameters
----------
n : input int

Returns
-------
a : rank-1 array('d') with bounds (n)

>>> print(fib3.fib(8))
[  0.   1.   1.   2.   3.   5.   8.  13.]

请给出一个简单的 NumPy 代码示例

下面是一个简单的 NumPy 用法示例：

import numpy as np
a = np.array([1, 2, 3])
a = a * 2
print(a)

你可以在 PythonRun 上执行它，看看结果。

如何运行和测试 NumPy 的代码？

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