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如何将Python和Fortran链接

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如何将Python和Fortran链接

如何将Python和Fortran链接

在科学计算和数据分析领域，Python和Fortran都是非常强大的工具。Python具备强大的数据处理和可视化功能、Fortran在数值计算方面表现出色、两者结合可以充分发挥各自优势。通过链接Python和Fortran，可以在Python中调用Fortran编写的高效数值计算代码，从而提升计算效率。下面将详细介绍如何将Python和Fortran链接，并具体描述其中一种方法。

要链接Python和Fortran，主要有以下几种方法：使用F2PY工具、通过Cython进行封装、使用CFFI库、采用SWIG接口生成器。其中，使用F2PY工具是一种相对简单且常用的方法，下面我们将详细介绍如何使用F2PY工具将Python和Fortran链接。

一、使用F2PY工具

1、F2PY工具简介

F2PY（Fortran to Python Interface Generator）是一个用于自动生成Python调用Fortran代码接口的工具。它是NumPy的一部分，能够将Fortran代码编译成Python可调用的模块，使得Python可以直接调用Fortran子程序。

2、安装F2PY

F2PY通常随NumPy一起安装，因此只需确保已安装NumPy即可。可以通过以下命令安装NumPy：

pip install numpy

安装完成后，可以通过以下命令检查F2PY是否安装成功：

f2py --version

3、编写Fortran代码

首先，编写一个简单的Fortran程序，例如计算数组元素的和。创建一个名为sum_array.f90的Fortran文件，内容如下：

module sum_module


  contains


    subroutine sum_array(arr, n, result)


      integer, intent(in) :: n


      real, intent(in) :: arr(n)


      real, intent(out) :: result


      result = sum(arr)


    end subroutine sum_array


end module sum_module

4、使用F2PY编译Fortran代码

使用F2PY将Fortran代码编译成Python模块。打开终端，输入以下命令：

f2py -c -m sum_module sum_array.f90

这里，-c表示编译，-m sum_module表示生成名为sum_module的Python模块。编译成功后，会生成一个名为sum_module.cpython-<version>-<platform>.so的共享库文件。

5、在Python中调用Fortran代码

在Python中导入生成的模块并调用Fortran子程序。创建一个Python脚本，例如test_sum.py，内容如下：

import numpy as np


import sum_module


创建一个NumPy数组


arr = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0], dtype=np.float32)


调用Fortran子程序计算数组的和


result = sum_module.sum_module.sum_array(arr, len(arr))


print("The sum of the array is:", result)

运行该Python脚本，即可看到输出结果。

二、通过Cython进行封装

1、Cython简介

Cython是一种扩展Python语言的编程语言，能够将Python代码编译成高效的C/C++代码，从而提升性能。通过Cython，可以将Fortran代码封装成C代码，再通过Cython生成Python模块。

2、安装Cython

可以通过以下命令安装Cython：

pip install cython

3、编写Fortran代码

创建一个名为sum_array.f90的Fortran文件，内容同上。

4、编写Cython封装代码

创建一个名为sum_wrapper.pyx的Cython文件，内容如下：

# cython: language_level=3


cdef extern from "sum_array.h":


    void sum_array(float *arr, int n, float *result)


def sum_array_py(arr):


    cdef int n = len(arr)


    cdef float result


    sum_array(&arr[0], n, &result)


    return result

5、编写setup.py文件

创建一个名为setup.py的文件，用于编译Cython代码，内容如下：

from distutils.core import setup


from distutils.extension import Extension


from Cython.Distutils import build_ext


ext_modules = [Extension("sum_wrapper",


                         sources=["sum_wrapper.pyx"],


                         libraries=["sum_array"],


                         library_dirs=["."],


                         include_dirs=["."])]


setup(


    name="sum_wrapper",


    cmdclass={"build_ext": build_ext},


    ext_modules=ext_modules


)

6、编译Cython代码

在终端中运行以下命令编译Cython代码：

python setup.py build_ext --inplace

编译成功后，会生成一个名为sum_wrapper.cpython-<version>-<platform>.so的共享库文件。

7、在Python中调用Fortran代码

在Python中导入生成的模块并调用Fortran子程序。创建一个Python脚本，例如test_sum.py，内容如下：

import numpy as np


import sum_wrapper


创建一个NumPy数组


arr = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0], dtype=np.float32)


调用Fortran子程序计算数组的和


result = sum_wrapper.sum_array_py(arr)


print("The sum of the array is:", result)

运行该Python脚本，即可看到输出结果。

三、使用CFFI库

1、CFFI简介

CFFI（C Foreign Function Interface for Python）是一个用于调用C代码的Python库。通过CFFI，可以将Fortran代码封装成C代码，再通过CFFI生成Python模块。

2、安装CFFI

可以通过以下命令安装CFFI：

pip install cffi

3、编写Fortran代码

创建一个名为sum_array.f90的Fortran文件，内容同上。

4、编写C头文件

创建一个名为sum_array.h的C头文件，内容如下：

void sum_array(float *arr, int n, float *result);

5、编写CFFI封装代码

创建一个名为sum_wrapper.py的Python文件，内容如下：

from cffi import FFI


ffi = FFI()


ffi.cdef("""


void sum_array(float *arr, int n, float *result);


""")


C = ffi.dlopen("./sum_array.so")


def sum_array_py(arr):


    arr_c = ffi.cast("float *", arr.ctypes.data)


    result_c = ffi.new("float *")


    C.sum_array(arr_c, len(arr), result_c)


    return result_c[0]

6、编译Fortran代码

在终端中运行以下命令编译Fortran代码：

gfortran -shared -o sum_array.so sum_array.f90

7、在Python中调用Fortran代码

在Python中导入生成的模块并调用Fortran子程序。创建一个Python脚本，例如test_sum.py，内容如下：

import numpy as np


import sum_wrapper


创建一个NumPy数组


arr = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0], dtype=np.float32)


调用Fortran子程序计算数组的和


result = sum_wrapper.sum_array_py(arr)


print("The sum of the array is:", result)

运行该Python脚本，即可看到输出结果。

四、采用SWIG接口生成器

1、SWIG简介

SWIG（Simplified Wrapper and Interface Generator）是一个用于连接C/C++/Fortran代码与多种编程语言（如Python、Java等）的接口生成器。通过SWIG，可以自动生成用于调用Fortran代码的Python接口。

2、安装SWIG

可以通过以下命令安装SWIG：

sudo apt-get install swig

3、编写Fortran代码

创建一个名为sum_array.f90的Fortran文件，内容同上。

4、编写SWIG接口文件

创建一个名为sum_array.i的SWIG接口文件，内容如下：

%module sum_array


%{


extern void sum_array(float *arr, int n, float *result);


%}


extern void sum_array(float *arr, int n, float *result);

5、编写C头文件

创建一个名为sum_array.h的C头文件，内容同上。

6、编写setup.py文件

创建一个名为setup.py的文件，用于编译SWIG接口，内容如下：

from distutils.core import setup, Extension


sum_array_module = Extension("_sum_array",


                             sources=["sum_array_wrap.c", "sum_array.c"],


                             )


setup(name="sum_array",


      version="0.1",


      ext_modules=[sum_array_module],


      py_modules=["sum_array"],


      )

7、运行SWIG生成接口代码

在终端中运行以下命令生成SWIG接口代码：

swig -python -c++ -o sum_array_wrap.c sum_array.i

8、编译SWIG接口代码

在终端中运行以下命令编译SWIG接口代码：

python setup.py build_ext --inplace

编译成功后，会生成一个名为_sum_array.cpython-<version>-<platform>.so的共享库文件。

9、在Python中调用Fortran代码

在Python中导入生成的模块并调用Fortran子程序。创建一个Python脚本，例如test_sum.py，内容如下：

import numpy as np


import sum_array


创建一个NumPy数组


arr = np.array([1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0], dtype=np.float32)


调用Fortran子程序计算数组的和


result = sum_array.sum_array(arr, len(arr))


print("The sum of the array is:", result)

运行该Python脚本，即可看到输出结果。

五、总结

通过上述方法，可以将Python和Fortran链接起来，从而充分利用Python的数据处理和可视化功能以及Fortran的高效数值计算能力。使用F2PY工具是一种相对简单且常用的方法，通过Cython进行封装也能实现灵活的接口，CFFI库和SWIG接口生成器则提供了更多的选择。根据具体需求选择适合的方法，可以更好地提升计算效率和代码可维护性。

相关问答FAQs：

1. 如何在Python中调用Fortran代码？

  • 问题：我想在我的Python项目中使用Fortran代码，该怎么做？
  • 回答：您可以使用F2PY工具将Fortran代码编译为Python可调用的模块。F2PY是一个用于将Fortran代码集成到Python中的工具，它能够自动将Fortran代码编译为动态链接库，并生成Python可调用的接口。您只需使用一些简单的命令和注释，就可以将Fortran代码与Python无缝链接起来。

2. Fortran和Python之间的数据传递如何进行？

  • 问题：我想知道Fortran和Python之间如何传递数据？
  • 回答：Fortran和Python之间的数据传递可以通过共享内存或文件进行。您可以在Fortran代码中使用共享内存来将数据传递给Python，或者将数据写入文件，然后由Python读取。另外，您还可以使用F2PY工具生成的Python接口来直接传递数据。

3. 如何处理Python和Fortran之间的数据类型不匹配问题？

  • 问题：我在将Python和Fortran链接时遇到了数据类型不匹配的问题，应该如何处理？
  • 回答：数据类型不匹配是常见的Python和Fortran链接中的问题。您可以使用F2PY工具的类型转换功能来处理数据类型不匹配的情况。F2PY提供了一些选项，可以帮助您将Python的数据类型转换为Fortran所需的类型，或者将Fortran的数据类型转换为Python所需的类型。您可以在编译Fortran代码时指定这些选项，以确保数据类型匹配。

文章包含AI辅助创作，作者：Edit2，如若转载，请注明出处：https://docs.pingcode.com/baike/1136066

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