Python에서 C/C++언어 함수 실행하기

Ctypes

ctypes — 파이썬용 외부 함수 라이브러리 — Python 3.9.0 문서

 

1. ctypes이란

C언어로 기반으로 제작된 파이썬에서,

ctypes 으로 C 호환 데이터형을 이용, DLL 또는 공유 라이브러리(.so)에 있는 함수를 호출할 수 있게 해 준다.

 

2. 할 것

py 파일 안에서 C/C++ 함수를 작성해서 실행하는 것을 불가능하고,

disutils에 있는 ccompiler로는 object파일밖에 생성하고

exe파일 까진 만들 수 있으나, exe실행은 따로 해야 한다.

from distutils.ccompiler import new_compiler

if __name__ == '__main__':
    compiler = new_compiler()
    compiler.compile(['main.c'])
    compiler.link_executable(['main.obj'], 'main')
    
    import sys
    sys.system(r"PATH\main.exe")

 

그래서 공유 라이브러리 (.so 파일)을 제작하고 ctypes로 함수를 실행하고

파이썬 함수와 속도 비교를 해볼 것이다.

(C언어로 모듈을 제작할 수 있지만, 꽤 복잡하다.)

 

파이썬 함수 바로 C에서 불러오는 글은 아래 참고

C언어: url HTML 가져오기 (C에서 Python 사용하기)

 

---

0. 기본 지식

 

0. .so 파일 불러오기

우선, ctypes으로 so 파일을 불러오고, 함수를 실행하는 방법은 아래와 같다.

(fibo 함수는 c파일에 int fibo(int n))

from ctypes import CDLL


if __name__ == "__main__":
    cfibo = CDLL("./Python/libfibo.so")
    cfibo.fibo(2000000000)

 

1. restype, argtypes

문서 참고: docs.python.org/ko/3/library/ctypes.html

 

c언어 파일에 있는 bubbleSort 함수는 restype(반환 타입)은 없고,

argtypes(필수 인자 타입)는 bubbleSort(int arr[], int length)를 사용할 것이므로 [*int, int]로 지정

(인자가 하나여도 [c_int] 처럼, seq안에 있어야 한다.)

bubble = CDLL("./Python/libbubble.so")
bubble.bubbleSort.restype = None
bubble.bubbleSort.argtypes = [POINTER(c_int), c_int]

 

2. 파이썬 배열 -> C언어 배열 변환

= (c_type * 길이)(*파이썬 배열)

array = [5, 4, 3, 2, 1]
array = (c_int * len(array))(*array)

print(array)
# <__main__.c_long_Array_10000 object at 0x000001D78F28C1C8>

print(list(array))  # 배열로 보려면
# [5, 4, 3, 2, 1]

 

3. C/C++ 파일 -> .so 파일 변환

(c++은 g++을 이용하면 된다.)

※ 64비트는 gcc 64비트 버전을 사용해야 한다, 아니면 WinError 193 오류가 발생

gcc -shared -o so파일이름.so -fPIC C파일이름.c

 

 

1. Bubble Sort (거품 정렬)

파이썬 방식과 똑같이 작성하였다.

배열 길이를 따로 준 이유는, 배열을 넘겼을 때

C언어에서 포인터로 받으니 sizeof는 안통해서 처음부터 길이를 넘겨야 함

 

C언어

#define API __declspec(dllexport)

API void bubbleSort(int *arr, int n)
{
    int i;
    int isSorted = 0;
    int count = 0;

    while (isSorted == 0)
    {
        isSorted = 1;
        for (i = 0; i < n - 1 - count; i++)
        {
            if (arr[i] > arr[i + 1])
            {
                int temp = arr[i];  // arr[i], arr[i + 1] = arr[i + 1], arr[i]
                arr[i] = arr[i + 1];
                arr[i + 1] = temp;
                isSorted = 0;
            }
        }
        count++;
    }
}

 

 

파이썬

def bubbleSort(array):
    isSorted = False
    counter = 0

    while not isSorted:
        isSorted = True
        for i in range(len(array) - 1 - counter):
            if array[i] > array[i + 1]:
                array[i], array[i + 1] = array[i + 1], array[i]
                isSorted = False

        counter += 1

    return array

 

테스트

from timeit import default_timer
from ctypes import CDLL, c_int, POINTER

if __name__ == "__main__":
    from bigO import bigO  # 랜덤 배열 생성하려고 부름
    from bigO import algorithm  # 파이썬 bubbleSort 불러오기

    lib = bigO()

    # BubbleSort test
    print("Bubble Sort Test")
    array = lib.genRandomArray(10000)
    array2 = array[:]  # 똑같은 랜덤, 얇은 복사

    bubble = CDLL("./Python/libbubble.so")
    bubble.bubbleSort.restype = None
    bubble.bubbleSort.argtypes = [POINTER(c_int), c_int]

    array = (c_int * len(array))(*array)

    start = default_timer()
    bubble.bubbleSort(array, len(array))  # C언어 버전 실행
    # print(list(array)) 결과를 보려면 주석 해제
    print(f"Took {default_timer() - start:.5f}s")

    start = default_timer()
    algorithm.bubbleSort(array2)  # 파이썬 버전 실행
    print(f"Took {default_timer() - start:.5f}s")
    

# 결과
# 파이썬 Took: 10.41354초
# C언어 Took: 0.26524초

 

결과는 역시 파이썬은 약 10초, C언어 버전은 약 0.26초가 걸렸다.

(c언어 잘하고, 빠른 함수가 필요하면 C언어 모듈로 제작해서 쓰는 게 역시 빠르다.)

 

2. min(), max()

C언어

모든 배열 탐색 | O(n)

int max(int *arr, int n);
int min(int *arr, int n);

int max(int *arr, int n)
{
    int i;
    int max_value = arr[0];
    for (i = 1; i < n; i++)
    {
        if (max_value < arr[i])
        {
            max_value = arr[i];
        }
    }

    return max_value;
}

int min(int *arr, int n)
{
    int i;
    int min_value = arr[0];
    for (i = 1; i < n; i++)
    {
        if (min_value > arr[i])
        {
            min_value = arr[i];
        }
    }

    return min_value;
}

 

파이썬은 built-in 함수, min(), max()를 이용

 

테스트

if __name__ == "__main__":
    from bigO import bigO
    from bigO import algorithm

    lib = bigO()

    # Min and Max test
    print("Min Max Test")
    minmax = CDLL("./Python/libm.so")
    
    minmax.min.restype = c_int  # return int
    minmax.min.argtypes = [POINTER(c_int), c_int]  # min(array, n)
    minmax.max.restype = c_int  # return int
    minmax.max.argtypes = [POINTER(c_int), c_int]  # max(array, n)

    test = lib.genRandomArray(1000000)  # 백만 크기 랜덤 배열
    test2 = test[:]

    test = (c_int * len(test))(*test)

    start = default_timer()
    minmax.min(test, len(test))
    minmax.max(test, len(test))
    print(f"C: {default_timer() - start:.5f}s")

    start = default_timer()
    min(test2)
    max(test2)
    print(f"Python: {default_timer() - start:.5f}s")
    

# 결과
# Min Max Test
# C: 0.00402초
# Python: 0.03532초

 

결과는 또 역시 파이썬은 약 0.035초, C언어 버전은 약 0.004초가 걸렸다.

 

참고 링크

docs.python.org/ko/3/library/ctypes.html

ctypes — 파이썬용 외부 함수 라이브러리 — Python 3.9.0 문서