pybind11 的应用

pybind11 是一个轻量级的 C++ 库，用于将 C++ 代码暴露给 Python 调用，或者反过来在 C++ 中调用 Python 代码。它比传统的 Boost.Python 更简洁高效，适用于现代 C++（C++11 及以上）。以下是 pybind11 的基本使用方法：

1. 安装 pybind11

可以通过 pip 安装：

pip install pybind11

或者从源码安装（推荐）：

git clone https://github.com/pybind/pybind11.git
cd pybind11
mkdir build && cd build
cmake ..
make install

2. 基本用法：C++ 暴露给 Python

示例 1：简单函数绑定

// example.cpp
#include <pybind11/pybind11.h>int add(int a, int b) {return a + b;
}PYBIND11_MODULE(example, m) {m.def("add", &add, "A function that adds two numbers");
}

编译（Linux/macOS）

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example.cpp -o example$(python3-config --extension-suffix)

编译（Windows, MSVC）

cl /EHsc /LD /I C:\path\to\Python\include /I C:\path\to\pybind11\include example.cpp /link /LIBPATH:C:\path\to\Python\libs

在 Python 中调用

import example
print(example.add(2, 3))  # 输出 5

示例 2：绑定 C++ 类

// example_class.cpp
#include <pybind11/pybind11.h>class MyClass {
public:MyClass(int value) : value_(value) {}void setValue(int v) { value_ = v; }int getValue() const { return value_; }
private:int value_;
};PYBIND11_MODULE(example_class, m) {pybind11::class_<MyClass>(m, "MyClass").def(pybind11::init<int>()).def("setValue", &MyClass::setValue).def("getValue", &MyClass::getValue);
}

编译（同上）

c++ -O3 -Wall -shared -std=c++11 -fPIC $(python3 -m pybind11 --includes) example_class.cpp -o example_class$(python3-config --extension-suffix)

在 Python 中调用

import example_class
obj = example_class.MyClass(10)
print(obj.getValue())  # 输出 10
obj.setValue(20)
print(obj.getValue())  # 输出 20

3. Python 调用 C++ 的高级用法

(1) 支持 NumPy 数组（pybind11/numpy.h）

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/numpy.h>namespace py = pybind11;py::array_t<double> add_arrays(py::array_t<double> a, py::array_t<double> b) {py::buffer_info a_buf = a.request(), b_buf = b.request();auto result = py::array_t<double>(a_buf.size);py::buffer_info res_buf = result.request();double *a_ptr = static_cast<double *>(a_buf.ptr);double *b_ptr = static_cast<double *>(b_buf.ptr);double *res_ptr = static_cast<double *>(res_buf.ptr);for (size_t i = 0; i < a_buf.size; i++) {res_ptr[i] = a_ptr[i] + b_ptr[i];}return result;
}PYBIND11_MODULE(numpy_example, m) {m.def("add_arrays", &add_arrays, "Add two NumPy arrays");
}

Python 调用

import numpy as np
import numpy_examplea = np.array([1.0, 2.0, 3.0])
b = np.array([4.0, 5.0, 6.0])
print(numpy_example.add_arrays(a, b))  # 输出 [5.0, 7.0, 9.0]

(2) 在 C++ 中调用 Python 代码

#include <pybind11/embed.h>  // 必须包含这个头文件
#include <iostream>namespace py = pybind11;int main() {py::scoped_interpreter guard{};  // 启动 Python 解释器py::module sys = py::module::import("sys");py::print(sys.attr("path"));  // 打印 Python 路径py::module math = py::module::import("math");float root = math.attr("sqrt")(2.0).cast<float>();std::cout << "sqrt(2) = " << root << std::endl;return 0;
}

编译 & 运行

g++ -std=c++11 -I/usr/include/python3.8 -lpython3.8 call_python.cpp -o call_python
./call_python

sqrt(2) = 1.41421

4. 使用 CMake 管理项目

cmake_minimum_required(VERSION 3.4)
project(example)find_package(pybind11 REQUIRED)  # 需要 pybind11 已安装pybind11_add_module(example example.cpp)  # 编译为 Python 模块

编译

mkdir build && cd build
cmake ..
make

生成的 .so 或 .pyd 文件可以直接在 Python 中导入。

5. 常见问题

(1) 如何传递 STL 容器？

pybind11 自动支持 std::vector、std::map 等：

#include <pybind11/stl.h>  // 必须包含这个头文件std::vector<int> process_vec(const std::vector<int>& v) {std::vector<int> result;for (int x : v) result.push_back(x * 2);return result;
}PYBIND11_MODULE(stl_example, m) {m.def("process_vec", &process_vec);
}

Python 调用：

import stl_example
print(stl_example.process_vec([1, 2, 3]))  # 输出 [2, 4, 6]

(2) 如何暴露 C++ 异常？

#include <stdexcept>void risky_func(int x) {if (x < 0) throw std::runtime_error("x must be >= 0");
}PYBIND11_MODULE(exception_example, m) {m.def("risky_func", &risky_func);
}

Python 调用：

import exception_example
try:exception_example.risky_func(-1)
except RuntimeError as e:print(e)  # 输出 "x must be >= 0"

总结

pybind11 是 C++/Python 互操作的高效工具，适用于高性能计算、机器学习等领域。