如何确定 C 与数组的互操作性

Question

我目前需要将 Fortran 子例程包装到 Python 中。我想使用 Cython 来完成它，我现在正在处理较小的任务，以便在处理实际脚本之前对我正在做的事情有一些基本的了解，因为它们非常大，涉及数十个派生类型和子例程。

我对 Fortran、C 和 Cython 非常陌生，我正在尝试包装一个基本的派生类型和子例程。但是，当我尝试编译时，由于派生类型“不可互操作”而出现错误。

初始模块可以在下面找到： "summation.f90"

module gfunc_module
implicit none 

type :: geo
    real, dimension(1:2) :: coordinates
    real :: weight 

end type 

contains

subroutine gfunc(v1, v2, final_v)
    type(geo), intent(in) :: v1, v2
    type(geo), intent(out) ::final_v

    final_v%coordinates = v1%coordinates * v1%weight + v2%coordinates + v2%weight
    final_v%weight = v1%weight + v2%weight

end subroutine
end module

然后，我使用 iso_c_binding 包装它：(pysummation.f90)

module gfunc1_interface
use iso_c_binding
use gfunc_module
implicit none

type, bind(c) :: geo 
    real(c_float), dimension(1:2) :: coordinates 
    real(c_float) :: weight

contains
subroutine c_gfunc(v1, v2, final_v) bind(c)
    type(geo), intent(in) :: v1, v2
    type(geo), intent(out) :: final_v
    call gfunc(v1, v2, final_v)
end subroutine

end module 

然后，我写了一个头文件：(pysummation.h)

struct geo {
    float coordinates[2];
    float weight;
}

extern void c_gfunc(geo *v1, geo *v2, geo *final_v);

我的 cython 文件（pysummation.pyx）：

cdef extern from "pysummation.h":
    cdef struct geo: 
        float coordinates[2]
        float weight
    void c_gfunc(geo *v1, geo *v2, geo *final_v)

def f(geo v1, geo v2):
    cdef:
        geo value
    c_gfunc(<geo*>&v1, <geo*>&v2, <geo*>&value)
    return value 

最后，我的设置文件（setup.py）：

from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension
from Cython.Distutils import build_ext
# This line only needed if building with NumPy in Cython file.
from numpy import get_include
from os import system

# compile the fortran modules without linking
fortran_mod_comp = 'gfortran summation.f90 -c -o summation.o -O3 -fPIC'
print fortran_mod_comp
system(fortran_mod_comp)
shared_obj_comp = 'gfortran pysummation.f90 -c -o pysummation.o -O3 -fPIC'
print shared_obj_comp
system(shared_obj_comp)

ext_modules = [Extension(# module name:
                         'pygfunc',
                         # source file:
                         ['pysummation.pyx'],
                         # other compile args for gcc
                         extra_compile_args=['-fPIC', '-O3'],
                         # other files to link to
                         extra_link_args=['summation.o', 'pysummation.o'])]

setup(name = 'pygfunc',
      cmdclass = {'build_ext': build_ext},
      # Needed if building with NumPy.
      # This includes the NumPy headers when compiling.
      include_dirs = [get_include()],
      ext_modules = ext_modules)

当我尝试编译我的脚本时，我收到以下错误：

1. (1) 处“geo”的派生类型定义已定义。

我知道是因为我告诉 Fortran 使用我的模块，该模块已经定义了“geo”类型，但我认为因为我想使用 iso_c_binding，所以我必须重新定义它。

我得到的第二个错误是

1. 变量“v1”是 BIND(C) 过程的伪参数，但不能与 C 互操作，因为派生类型“geo”不能与 C 互操作。

这发生在所有类型（geo）的变量上。我只是想知道是否有人可以阐明 c 互操作性如何与数组和派生类型有关？

我认识到我的代码中可能还有许多其他错误。不过，在开始排除其他故障之前，我想至少解决这几个问题。

Answer 1

所以，总而言之，在 python 中，您试图绑定到一个 c 函数，而该函数又绑定到一个 fortran 函数？正确的？目前您在为 fortran 函数创建 c-wrapper 时遇到问题？对吧？

我对fortran 不是很熟悉，但似乎fortran 编译器抱怨geo 类型的两种不同定义。事实上，你确实有两个定义。一个在summation.f90，一个在pysummation.f90。我建议将pysummation.f90 中的那个重命名为c_geo。这也意味着c_gfunc 的参数v1、v2、final_v 应该是c_geo 类型而不是geo。当然，您必须先将v1 和v2 转换为geo，然后再将它们传递给gfunc，然后再将返回值转换回来。

正如我所说，我不写fortan，所以这段代码更像是伪代码 而不是正确的 fortran 程序：

module gfunc1_interface
use iso_c_binding
use gfunc_module
implicit none

type, bind(c) :: c_geo 
    real(c_float), dimension(1:2) :: coordinates 
    real(c_float) :: weight

contains
subroutine geo_c2f(cv, fv)
    type(c_geo), intent(in) :: cv
    type(geo), intent(out) :: fv
    fv%coordinates = cv%coordinates
    fv%weight = cv%weight 
end subroutine
subroutine geo_f2c(fv, cv)
    type(geo), intent(in) :: fv
    type(c_geo), intent(out) :: cv
    cv%coordinates = fv%coordinates
    cv%weight = fv%weight 
end subroutine

subroutine c_gfunc(v1, v2, final_v) bind(c)
    type(c_geo), intent(in) :: v1, v2
    type(c_geo), intent(out) :: final_v

    type(geo) :: v1f, v2f, final_vf

    call geo_c2f(v1, v1f)
    call geo_c2f(v2, v2f)

    call gfunc(v1f, v2f, final_vf)

    call geo_f2c(final_vf, final_v)
end subroutine

end module

其他一些提示：

如果您希望 c 编译器可以读取 pysummation.h，那么您的 pysummation.h 是错误的。 struct 关键字在声明结构类型的变量/参数时是必需的：

extern void c_gfunc(struct geo *v1, struct geo *v2, struct geo *final_v);

如果v1 和v2 不应该修改他们指向的内容，我还要添加const 关键字：

extern void c_gfunc(const struct geo *v1, const struct geo *v2, struct geo *final_v);

最后：

我还建议您在尝试为 python 重新包装之前在 c 中测试您的 c-wrapper。