pybind11中文资料(第五章面向对象的代码）

末蓝、 2021-05-17 14:07 1180阅读 0赞

## 5面向对象的代码 ##

### 5.1创建自定义类型的绑定 ###

现在来看一个更复杂的例子，这个例子为名为Pet的自定义数据结构创建绑定。

Pet定义如下：

struct Pet {
        Pet(const std::string &name) : name(name) { }
        void setName(const std::string &name_) { name = name_; }
        const std::string &getName() const { return name; }
    
        std::string name;
    };

Pet的绑定如下：

#include <pybind11/pybind11.h>
    
    namespace py = pybind11;
    
    PYBIND11_MODULE(example, m) {
        py::class_<Pet>(m, "Pet")
            .def(py::init<const std::string &>())
            .def("setName", &Pet::setName)
            .def("getName", &Pet::getName);
    }

`class_为C ++类或结构体类型的数据结构创建绑定。init()将构造函数的参数类型作为模板参数并包装相应的构造函数（详细信息请参阅“ 自定义构造函数”部分）。`

`示例演示如下：`

% python
    >>> import example
    >>> p = example.Pet('Molly')
    >>> print(p)
    <example.Pet object at 0x10cd98060>
    >>> p.getName()
    u'Molly'
    >>> p.setName('Charly')
    >>> p.getName()
    u'Charly'

`See also: 静态成员函数可以使用class_::def_static()同样也能绑定。`

### 5.2关键字和默认参数 ###

可以使用前一章中讨论的语法来指定关键字和默认参数。详细信息，请参阅[关键字参数][Link 1]和[默认参数][Link 2]部分。

### 5.3绑定lambda函数 ###

请注意上面示例中print(p)是如何生成一个无用的数据结构摘要信息：

>>> print(p)
    <example.Pet object at 0x10cd98060>

为了解决这个问题，我们可以绑定一个名为\_\_repr\_\_的函数，该函数返回人可读的摘要。不幸的是，Pet数据结构中没有相应的功能，如果我们不必更改Pet的机构将会更好。这些可以通过绑定Lambda函数达到：

py::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(py::init<const std::string &>())
        .def("setName", &Pet::setName)
        .def("getName", &Pet::getName)
        .def("__repr__",
            [](const Pet &a) {
                return "<example.Pet named '" + a.name + "'>";
            }
        );

pybind11支持无状态[\[1\]][1]和有状态lambda闭包。通过上述更改，相同的Python代码生成以下输出：

>>> print(p)
    <example.Pet named 'Molly'>

\[1\]无状态闭包是那些带有一对空括号`[]`作为捕获对象的闭包

### 5.4实例和静态字段 ###

我们也可以使用class::def\_readwrite()来直接暴露name字段。类似的class::def\_readonly适用于const字段。

py::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(py::init<const std::string &>())
        .def_readwrite("name", &Pet::name)
        // ... remainder …

这使得写入成为可能

>>> p = example.Pet('Molly')
    >>> p.name
    u'Molly'
    >>> p.name = 'Charly'
    >>> p.name
    u'Charly'

现在假设这Pet::name 是一个私有的内部变量，只能通过setter和getters访问。

class Pet {
    public:
        Pet(const std::string &name) : name(name) { }
        void setName(const std::string &name_) { name = name_; }
        const std::string &getName() const { return name; }
    private:
        std::string name;
    };

在这种情况下，方法class\_::def\_property()（class\_::defproperty\_readonly()用于只读数据）可用于提供类似于Python中字段的接口，可以透明地调用setter和getter函数：

py::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(py::init<const std::string &>())
        .def_property("name", &Pet::getName, &Pet::setName)
        // ... remainder ...

只写属性可以通过传递nullptr给读取函数作为输入来定义。

See also:

class\_::def\_readwrite\_static()，class\_::def\_readonly\_static()，class\_::def\_property\_static()，以及class\_::def\_property\_readonly\_static()为绑定静态变量和属性提供了类似功能。另请参阅文档高级部分中[静态属性][Link 3]的部分。

### 5.5动态属性 ###

Python类型可以动态获取新属性

>>> class Pet:
    ...     name = 'Molly'
    ...
    >>> p = Pet()
    >>> p.name = 'Charly'  # overwrite existing
    >>> p.age = 2  # dynamically add a new attribute

默认情况下，从C ++导出的类不支持此操作，唯一可写的是使用class\_::def\_readwrite() 或者 class\_::def\_property()显式定义的属性。

py::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def(py::init<>())
        .def_readwrite("name", &Pet::name);

尝试设置任何其他属性会导致错误：

>>> p = example.Pet()
    >>> p.name = 'Charly'  # OK, attribute defined in C++
    >>> p.age = 2  # fail
    AttributeError: 'Pet' object has no attribute 'age'

C++类要启用动态属性，必须将py::dynamic\_attr这个标记添加到py::class\_构造函数中:

py::class_<Pet>(m, "Pet", py::dynamic_attr())
        .def(py::init<>())
        .def_readwrite("name", &Pet::name);

现在一切都按预期工作：

>>> p = example.Pet()
    >>> p.name = 'Charly'  # OK, overwrite value in C++
    >>> p.age = 2  # OK, dynamically add a new attribute
    >>> p.__dict__  # just like a native Python class
    {'age': 2}

请注意，具有动态属性的类会有一点运行的时间成本。不仅因为添加了\_\_dict\_\_，还因为垃圾回收跟踪比较耗时，运行时必须要激活它。默认情况下，Python类也会产生相同的耗时，所以可以不用担心。默认情况下，pybind11的类比Python类更有效。启用动态属性只会使它们运行效率差不多，而不会超过。

### 5.6继承和自动转换 ###

示例包含两个具有继承关系的数据结构：

struct Pet {
        Pet(const std::string &name) : name(name) { }
        std::string name;
    };
    
    struct Dog : Pet {
        Dog(const std::string &name) : Pet(name) { }
        std::string bark() const { return "woof!"; }
    };

有两种不同的方式来显示出与pybind11的层次关系：第一种是指定C++基类作为class\_的额外模板参数:

py::class_<Pet>(m, "Pet")
       .def(py::init<const std::string &>())
       .def_readwrite("name", &Pet::name);
    
    // Method 1: template parameter:
    py::class_<Dog, Pet /* <- specify C++ parent type */>(m, "Dog")
        .def(py::init<const std::string &>())
        .def("bark", &Dog::bark);

第二种，我们也可以为之前绑定的Pet class\_对象指定名称，并在绑定Dog类时引用它

py::class_<Pet> pet(m, "Pet");
    pet.def(py::init<const std::string &>())
       .def_readwrite("name", &Pet::name);
    
    // Method 2: pass parent class_ object:
    py::class_<Dog>(m, "Dog", pet /* <- specify Python parent type */)
        .def(py::init<const std::string &>())
        .def("bark", &Dog::bark);

功能方面，两种方法都是等价的。实例将公开两种类型的字段和方法：

>>> p = example.Dog('Molly')
    >>> p.name
    u'Molly'
    >>> p.bark()
    u'woof!'

上面定义的C++类是具有继承关系的常规非多态类型。这反映在Python中：

// Return a base pointer to a derived instance
    m.def("pet_store", []() { return std::unique_ptr<Pet>(new Dog("Molly")); });

>>> p = example.pet_store()
    >>> type(p)  # `Dog` instance behind `Pet` pointer
    Pet          # no pointer downcasting for regular non-polymorphic types
    >>> p.bark()
    AttributeError: 'Pet' object has no attribute 'bark'

该函数返回了一个Dog实例，但因为它是基类指针指向的派生类型，所以Python只能看到Pet。在C++中，如果一个类型包含至少一个虚函数，那么被认为是多态的，pybind11会自动识别它：

struct PolymorphicPet {
        virtual ~PolymorphicPet() = default;
    };
    
    struct PolymorphicDog : PolymorphicPet {
        std::string bark() const { return "woof!"; }
    };
    
    // Same binding code
    py::class_<PolymorphicPet>(m, "PolymorphicPet");
    py::class_<PolymorphicDog, PolymorphicPet>(m, "PolymorphicDog")
        .def(py::init<>())
        .def("bark", &PolymorphicDog::bark);
    
    // Again, return a base pointer to a derived instance
    m.def("pet_store2", []() { return std::unique_ptr<PolymorphicPet>(new PolymorphicDog); });

>>> p = example.pet_store2()
    >>> type(p)
    PolymorphicDog  # automatically downcast
    >>> p.bark()
    u'woof!'

给定指向多态基类的指针，pybind11执行自动转换为派生类型。请注意，这超出了C++中的通常情况：不只是访问基类的虚函数，还可以获得具体的派生类，这包括一些基类未声明过的函数和属性。

See also: 有关多态的更多信息，请参阅[在Python中覆盖虚函数][Python]。

### 5.7重载方法 ###

有时会有几个具有相同名称的C++方法，这些方法采用不同的输入参数类型：

struct Pet {
        Pet(const std::string &name, int age) : name(name), age(age) { }
    
        void set(int age_) { age = age_; }
        void set(const std::string &name_) { name = name_; }
    
        std::string name;
        int age;
    };

尝试绑定Pet::set将导致错误，因为编译器不知道应该指定哪种方法。我们可以通过将它们转换为函数指针来消除歧义。将多个函数绑定到相同的名称会自动创建一系列函数重载。

py::class_<Pet>(m, "Pet")
       .def(py::init<const std::string &, int>())
       .def("set", (void (Pet::*)(int)) &Pet::set, "Set the pet's age")
       .def("set", (void (Pet::*)(const std::string &)) &Pet::set, "Set the pet's name");

重载签名也可以在方法的说明中看到：

如果你有一个兼容C++ 14的编译器[\[2\]][2]，你可以使用另一种语法来转换重载函数：

py::class_<Pet>(m, "Pet")
        .def("set", py::overload_cast<int>(&Pet::set), "Set the pet's age")
        .def("set", py::overload_cast<const std::string &>(&Pet::set), "Set the pet's name");

这里，py::overload\_cast只需要指定参数类型。返回类型和类是推导出来的。这避免了原来转换过程中void (Pet::\*)()的干扰。如果函数基于常量重载的，则应使用py::const\_标记。

struct Widget {
        int foo(int x, float y);
        int foo(int x, float y) const;
    };
    
    py::class_<Widget>(m, "Widget")
       .def("foo_mutable", py::overload_cast<int, float>(&Widget::foo))
       .def("foo_const",   py::overload_cast<int, float>(&Widget::foo, py::const_));

\[2\]支持`-std=c++14`标志或Visual Studio 2015 Update 2及更高版本的编译器。

Note: 要定义多个重载的构造函数，只需使用.def(py::init<...>())语法一个一个地声明。用于指定关键字和默认参数的机制也有效。Note: 要定义多个重载的构造函数，只需使用.def(py::init<...>())语法一个一个地声明。用于指定关键字和默认参数的机制也有效。

### 5.8枚举和内部类型 ###

示例中的类包含内部枚举类型，例如：

struct Pet {
        enum Kind {
            Dog = 0,
            Cat
        };
    
        Pet(const std::string &name, Kind type) : name(name), type(type) { }
    
        std::string name;
        Kind type;
    };

此示例的绑定代码如下所示：

py::class_<Pet> pet(m, "Pet");
    
    pet.def(py::init<const std::string &, Pet::Kind>())
        .def_readwrite("name", &Pet::name)
        .def_readwrite("type", &Pet::type);
    
    py::enum_<Pet::Kind>(pet, "Kind")
        .value("Dog", Pet::Kind::Dog)
        .value("Cat", Pet::Kind::Cat)
        .export_values();

要确保Kind在Pet作用域创建，pet class\_必须将实例传递给enum\_构造函数。enum\_::export\_values()函数将枚举条目导出到父作用域中，对于较新的C ++ 11样式的强类型枚举，应该跳过该操作。

>>> p = Pet('Lucy', Pet.Cat)
    >>> p.type
    Kind.Cat
    >>> int(p.type)
    1L

枚举类型定义的条目在\_\_members\_\_属性中公开：

>>> Pet.Kind.__members__
    {'Dog': Kind.Dog, 'Cat': Kind.Cat}

name属性将枚举值的名称作为unicode字符串返回。

Note： 也可以使用str(enum)，但是这达到了不同的目的。以下显示了这两种方法的不同之处。

>>> p = Pet( "Lucy", Pet.Cat )
    >>> pet_type = p.type
    >>> pet_type
    Pet.Cat
    >>> str(pet_type)
    'Pet.Cat'
    >>> pet_type.name
    'Cat'

Note: 当为enum\_构造函数指定py::arithmetic()标签，pybind11会创建一个枚举，该枚举支持基本算术和位级操作，如比较、and、or、xor、否等。

py::enum_<Pet::Kind>(pet, "Kind", py::arithmetic())
       ...

[Link 1]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/basics.html#keyword-args
[Link 2]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/basics.html#default-args
[1]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/classes.html#f1
[Link 3]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/advanced/classes.html#static-properties
[Python]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/advanced/classes.html#overriding-virtuals
[2]: https://pybind11.readthedocs.io/en/latest/classes.html#cpp14