Python3で使えるCのWrapperの作り方

# はじめに
Pythonは非常に便利な言語で、Python用のモジュールをPythonで記述できる。ただ、速度を求めたかったりよりシステム寄りのことをしたかったりする場合、C/C++の方が良いこともある。（と信じている。幸運にも未だ遭遇していないが。。。）
CをPythonでラッピングするサイトはいくつか見つけられた(「[CをPythonから使えるようにCythonでwrapする](https://qiita.com/nonbiri15/items/67ec29327533078ec3fd)」や「[C/C++をラップしてpythonで使えるように](https://www.quark.kj.yamagata-u.ac.jp/~hiroki/python/?id=19)」)が、できれば最小構成が知りたい。

なので、公式ドキュメントを見ながらやってみた。なお、今回はPython3.xのお話。

# 書いたコード
参考にしたのはPython Docsの[1. C や C++ による Python の拡張](https://docs.python.jp/3/extending/extending.html)と[3. C および C++ 拡張のビルド](https://docs.python.jp/3/extending/building.html#building)。
コードは[githubにも上げた](https://github.com/montblanc18/pythonCWrapTest)が、以下の２つだけあればOKである。

```C:spammodule.c
//本家ドキュメント ->  https://docs.python.jp/3/extending/extending.html
//コンパイル -> https://docs.python.jp/3/extending/building.html#building

#include <Python.h>
/* 
   "Python.h"は<stdio.h>, <string.h>, <error.h>, <stdlib.h>をインクルードしている。
   もしもstdlib.hファイルがなければ、Python.hがmalloc(), free(), realloc()を直接定義する。
 */

// self引数は、モジュールレベルの関数であればモジュールが、メソッドにはオブジェクトインスタンスが渡される。
// agrs引数は、引数の入ったPythonタプルオブジェクトへのポインタになる。
static PyObject *
spam_system(PyObject *self, PyObject *args){
  const char *command;
  int sts;

  /*
	PyArg_ParseTuple()は引数の型をチェックし、Cの値に変換する。
	すべての引数が正しい方を持っていないと、Falseを返す。 --> 呼び出し側でNULLを返すようにする。
	Pythonインタプリタ全体の取り決めとして、
	関数が処理に失敗した場合はエラーを示す値（通常はNULLポインタ）を返さなければならない
  */
  if(!PyArg_ParseTuple(args, "s", &command)){
	return NULL;
  }  
  sts = system(command);

  /*
	PyLong_FromLong(long v):
	引数vから新たなPyLongObjectを生成して返す。失敗した時はNULLを返す。
	この例だと、Py_BuildValue()として整数オブジェクトを返す。
	もしもvoidを返す関数が期待されている場合、
	return Py_None;
	のようにする。
   */
  return PyLong_FromLong(sts);
}


// モジュールのメソッドテーブルと初期化関数を用意する
/*
  spam_system()をPythonプログラムから呼ぶために、関数名とアドレスをmethod tableに列挙する。
 */

static PyMethodDef SpamMethods[] = {
  {"system", spam_system, METH_VARARGS,   /* METH_VARARGSはC関数が使う呼び出し規約をインタプリタに教えるためのフラグ */
   "Execute a shell command."},
  {NULL, NULL, 0, NULL} /* Sentinel */
};

/*
{
  method tableはモジュール定義の構造体から参照されている必要
*/
static struct PyModuleDef spammodule = {
  PyModuleDef_HEAD_INIT,
  "spam", /* name of module */
  NULL, /* module documentation, may be NULL */
  -1, /* size of per-interprenter state of the module,
	   or -1 if the module keep state in global variables */
  SpamMethods
};

/*
  この構造体を、モジュール初期化関数内でインタプリタに渡さねばならない。
  モジュール名を"name"としたとき、初期化関数について
  ・名前はPyInit_name()でなければならない。
  ・モジュールファイル内で定義されているものの内、唯一の非static要素でなければならない。
*/
PyMODINIT_FUNC
PyInit_spam(void){
  return PyModule_Create(&spammodule);
}

/* 
   PyMODINIT_FUNCは戻り値をPyObject+になるよう宣言
   spamモジュールが初めてimportされると、このPyInit_spam()が呼ばれる。
   すると、
   PyInit_spamが呼ばれる
   -> PyModule_Createが呼ばれる
   -> PyMethodDefにもとづいて作られたモジュールに組み込み関数オブジェクトが挿入され、そのポインタが返る。
*/


/*
  Pythonへ埋め込むときには、PyImport_AppendInittab()を使って、初期化テーブルにモジュールを追加する。
  その後に、オプションでモジュールをimportする。
*/
int main(int argc, char *argv[]){
  // wchar_t: ワイド文字(=通常よりも1文字あたりのバイト数が多い)から構成されるワイド文字列
  wchar_t *program = Py_DecodeLocale(argv[0], NULL);
  if(program==NULL){
	fprintf(stderr, "Fatal error: cannot decode argv[0]\n");
	exit(1);
  }

  /* Add a built-in module, before Py_Initialize */
  PyImport_AppendInittab("spam", PyInit_spam);

  /* Pass argv[0] to the Python interpreter */
  Py_SetProgramName(program);

  /* Initialize the Python interpreter. Required. */
  Py_Initialize();

  /* Optionally import the module; alternatively,
	 import can be deferred until the embedded script
	 imports it.*/
  PyImport_ImportModule("spam");

  PyMem_RawFree(program);
  return 0;
  
}
```

```python:setup.py
from distutils.core import setup, Extension

module1 = Extension('spam',
                    sources = ['spammodule.c'])

setup (name = 'SpamMethod',
       version = '1.0',
       description = 'This is a demo package',
       ext_modules = [module1])
```

あとは以下のようになる。

```
$ git clone https://github.com/montblanc18/pythonCWrapTest.git .
$ ls -a
.            ..           .git         .gitignore   README.md    setup.py     spammodule.c
$ python setup.py build
$ python setup.py install
$ pip list -l | grep SpamMethod
SpamMethod (1.0)
$ python
Python 3.6.1 (default, Aug 27 2017, 16:38:38) 
[GCC 4.2.1 Compatible Clang 3.9.1 (tags/RELEASE_391/final)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import spam
>>> spam.system("ls")
README.md       build           setup.py        spammodule.c
```
これでCを使った自作モジュールの開発が捗るはず。