使用PyO3从Python调用 Rust：加速Python


使用 Rust 加速你的 Python：PyO3使从 Python 调用 Rust 代码变得容易。您可以编写 Rust 库，并依靠 PyO3 和生态系统中maturin的支持工具的组合PyO3来编译 Rust 库并将其作为 Python 模块直接安装。其中，PyO3 可以在 Python 和 Rust 之间转换类型，并且可以通过一组宏轻松地将 Rust 函数导出到 Python。
在这篇博文中，我将简要介绍 PyO3。之后，我将讨论几个用 Rust 编写并从 Python 调用的示例函数。这些例子包括：

  • 在 Python 和 Rust 中计算第 n 个斐波那契数
  • 让 Python 在 Rust 函数中使用多种类型
  • 在 Python 代码中使用 Rust 结构
  • 使用 Python 将 JSON 发送到 Rust 并将该 JSON 序列化为结构
  • 允许 Rust 从 Python 运行时使用记录器
  • 在 Rust 中生成错误并将其作为异常在 Python 中捕获

 
PyO3 简介
PyO3 为想要将 Rust 和 Python 代码粘合在一起的人们提供了一些人体工程学设计。它可以帮助您从 Rust 调用 Python 代码以及从 Python 调用 Rust 代码。由于我只使用它从 Python 调用 Rust 代码，这是我在这里写的唯一内容。
那么 PyO3 给你什么？
首先，有maturin。该工具将为您编译 Rust 代码，并将编译后的代码作为 Python 模块安装在您的虚拟环境中。之后，您可以在 Python 代码中导入此模块并使用它。在您pip install maturin 之后，您只需要运行 1 个命令 ( maturin develop ) 即可在 Python 中使用 Rust 代码。
除了maturin，当然还有 PyO3 本身。PyO3 为 Python 解释器提供 Rust 绑定。这使得您不必真正为 Python 和 Rust 之间的交互而烦恼。例如，您不必担心如何在 C 中将 Python 字符串转换为某些内容，然后在 Rust 中再次转换为其他内容。整数、浮点数、列表、字典等也是如此。为了方便起见，PyO3 附带了许多宏，可以防止您编写过多的样板代码。要将 Rust 函数公开给 Python，您可以使用宏注释它们。在此之后，PyO3 将负责其余的工作。如果您想导出结构或方法，这同样适用。
 
从 Python 调用 Rust 函数
在第一个示例中，我们将从 Python 调用 Rust 乘法函数。通常，我们可以这样写：
fn multiply(a: isize, b: isize) -> isize {
    a * b
}

在不添加太多东西的情况下，我们可以让这个函数从 Python 中调用。首先，我们需要：

  • 引入pyo3 prelude
  • 注释函数#[pyfunction]以将其转换为 PyCFunction
  • 将结果包装在一个 PyResult
  • 将函数添加到 #[pymodule]

下面的代码以相同的顺序说明了上述步骤：
use pyo3::prelude::*;

#[pyfunction]
fn multiply(a: isize, b: isize) -> PyResult<isize> {
    Ok(a * b)
}

#[pymodule]
fn rust(_py: Python, m: &PyModule) -> PyResult<()> {
    m.add_function(wrap_pyfunction!(multiply, m)?)?;
    Ok(())
}

以上将在一个名为rust（在最后一个函数的名称之后）的Python 模块中公开乘法函数。我们还需要放置适当的Cargo.toml文件。
为方便起见，请确保 Cargo.toml 中库的名称与使用#[pymodule]. 在我的示例中，我将以下内容放入我的Cargo.toml：

[lib]
name = "rust"

当这两个名称匹配时，maturin构建工具将使用该名称将 Rust 库安装为 Python 模块。
因此，在这种情况下，选择rust作为包的名称，我们可以编写以下 Python 来调用乘法函数：

import rust

result = rust.multiply(2, 3)
print(result)

为了能够运行此代码，我们需要编译 Rust 代码并将其安装为 Python 库。这是maturin进来的地方：

root@rust:/# git clone https://github.com/saidvandeklundert/pyo3.git
Cloning into 'pyo3'...
remote: Enumerating objects: 36, done.
    ...
Resolving deltas: 100% (9/9), done.
root@rust:/# cd pyo3/multiply/
root@rust:/pyo3/multiply# python3 -m venv .env
root@rust:/pyo3/multiply# source .env/bin/activate
(.env) root@rust:/pyo3/multiply# pip install maturin
Collecting maturin
    ...
Installing collected packages: toml, maturin
Successfully installed maturin-0.11.5 toml-0.10.2
(.env) root@rust:/pyo3/multiply# maturin develop
 Found pyo3 bindings
 Found CPython 3.9 at python
   Compiling proc-macro2 v1.0.32
    ...
   Compiling multiply v0.1.0 (/pyo3/multiply)
    Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 23.48s
(.env) root@rust:/pyo3/multiply# python3 multiply.py
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现在我可以运行这个脚本：：

(.env) root@rust: multiply# python3 multiply.py
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