pybind11

pybind11 - إمكانية التشغيل السلس بين C++ 11 وPython

مثال على أدوات الإعداد • مثال Scikit-build • مثال CMake

pybind11 هي مكتبة خفيفة الوزن للرؤوس فقط، تعرض أنواع C++ في Python والعكس، وذلك بشكل أساسي لإنشاء روابط Python لكود C++ الحالي. تشبه أهدافها وصياغتها مكتبة Boost.Python الممتازة التي أنشأها ديفيد أبراهامز: لتقليل التعليمات البرمجية المعيارية في وحدات الامتداد التقليدية عن طريق استنتاج معلومات النوع باستخدام الاستبطان في وقت الترجمة.

المشكلة الرئيسية في Boost.Python – والسبب وراء إنشاء مثل هذا المشروع المماثل – هي Boost. Boost عبارة عن مجموعة كبيرة ومعقدة للغاية من مكتبات الأدوات المساعدة التي تعمل مع كل مترجم C++ موجود تقريبًا. هذا التوافق له تكلفته: تعد حيل القالب الغامضة والحلول البديلة ضرورية لدعم أقدم وأصعب نماذج المترجمات. الآن بعد أن أصبحت المترجمات المتوافقة مع C++ 11 متاحة على نطاق واسع، أصبحت هذه الآلات الثقيلة بمثابة تبعية كبيرة جدًا وغير ضرورية.

فكر في هذه المكتبة باعتبارها نسخة صغيرة قائمة بذاتها من Boost.Python مع إزالة كل شيء غير ذي صلة بإنشاء الارتباط. بدون تعليقات، تتطلب ملفات الرأس الأساسية فقط سطورًا من التعليمات البرمجية بدقة 4K تقريبًا وتعتمد على Python (3.8+ أو PyPy) ومكتبة C++ القياسية. كان هذا التنفيذ المدمج ممكنًا بفضل بعض ميزات لغة C++ 11 (على وجه التحديد: الصفوف ووظائف لامدا والقوالب المتنوعة). منذ إنشائها، تطورت هذه المكتبة إلى ما هو أبعد من Boost.Python بعدة طرق، مما أدى إلى كود ربط أبسط بشكل كبير في العديد من المواقف الشائعة.

يتم توفير الوثائق التعليمية والمرجعية على pybind11.readthedocs.io. نسخة PDF من الدليل متاحة هنا. والكود المصدري متاح دائمًا على github.com/pybind/pybind11.

الميزات الأساسية

يمكن لـ pybind11 تعيين ميزات C++ الأساسية التالية إلى Python:

• وظائف تقبل وتعيد هياكل البيانات المخصصة لكل قيمة أو مرجع أو مؤشر
• طرق المثيل والأساليب الثابتة
• وظائف مثقلة
• سمات المثيل والسمات الثابتة
• أنواع الاستثناءات التعسفية
• التعدادات
• الاسترجاعات
• التكرارات والنطاقات
• مشغلي مخصص
• الميراث الفردي والمتعدد
• هياكل البيانات STL
• مؤشرات ذكية مع العد المرجعي مثل std::shared_ptr
• المراجع الداخلية مع العد المرجعي الصحيح
• يمكن توسيع فئات C++ ذات الأساليب الافتراضية (والظاهرية الخالصة) في Python
• دعم NumPy المتكامل (يتطلب NumPy 2 pybind11 2.12+)

الأشياء الجيدة

بالإضافة إلى الوظائف الأساسية، يوفر pybind11 بعض الميزات الإضافية:

• يتم دعم Python 3.8+ وPyPy3 7.3 بواجهة غير محددة للتنفيذ (كان pybind11 2.9 هو الإصدار الأخير الذي يدعم Python 2 و3.5).
• من الممكن ربط وظائف لامدا C++ 11 بالمتغيرات التي تم التقاطها. يتم تخزين بيانات التقاط لامدا داخل كائن وظيفة بايثون الناتج.
• يستخدم pybind11 مُنشئات النقل C++ 11 ونقل مشغلي المهام كلما أمكن ذلك لنقل أنواع البيانات المخصصة بكفاءة.
• من السهل الكشف عن التخزين الداخلي لأنواع البيانات المخصصة من خلال بروتوكولات بايثون العازلة. يعد هذا مفيدًا، على سبيل المثال، للتحويل السريع بين فئات مصفوفة C++ مثل Eigen وNumPy بدون عمليات نسخ باهظة الثمن.
• يمكن لـ pybind11 توجيه الوظائف تلقائيًا بحيث يتم تطبيقها بشفافية على جميع إدخالات واحدة أو أكثر من وسيطات صفيف NumPy.
• يمكن دعم عمليات الوصول والتخصيص المستندة إلى الشرائح في Python ببضعة أسطر فقط من التعليمات البرمجية.
• كل شيء موجود في عدد قليل من ملفات الرأس؛ ليست هناك حاجة للارتباط بأي مكتبات إضافية.
• تكون الثنائيات بشكل عام أصغر بعامل لا يقل عن 2 مقارنة بالارتباطات المكافئة التي تم إنشاؤها بواسطة Boost.Python. أبلغ تحويل pybind11 الأخير لـ PyRosetta، وهو مشروع ربط Boost.Python الضخم، عن تقليل الحجم الثنائي بمقدار 5.4x وتقليل وقت الترجمة بمقدار 5.8x .
• يتم حساب توقيعات الوظائف مسبقًا في وقت الترجمة (باستخدام constexpr )، مما يؤدي إلى ثنائيات أصغر.
• مع القليل من الجهد الإضافي، يمكن تخليل أنواع C++ وتفكيكها بشكل مشابه لكائنات Python العادية.

المجمعين المدعومة

1. Clang/LLVM 3.3 أو أحدث (بالنسبة لـ clang الخاص بـ Apple Xcode، هذا هو الإصدار 5.0.0 أو أحدث)
2. دول مجلس التعاون الخليجي 4.8 أو الأحدث
3. مايكروسوفت فيجوال ستوديو 2017 أو الأحدث
4. برنامج التحويل البرمجي Intel classic C++ 18 أو الأحدث (تم اختبار ICC 20.2 في CI)
5. Cygwin/GCC (تم اختباره مسبقًا على الإصدار 2.5.1)
6. NVCC (تم اختبار CUDA 11.0 في CI)
7. NVIDIA PGI (تم اختبار 20.9 في CI)

عن

تم إنشاء هذا المشروع بواسطة وينزل جاكوب. ساهم جوناس أدلر، ولوري أ. بيرنز، وسيلفان كورلاي، وإريك كوزينو، وآرون جوكاسلان، ورالف جروس-كونستليف، وترينت هوليستون، وأكسيل هوبل، ويانك جادول، وسيرجي ليسكوف، ويوهان في ميزات و/أو تحسينات مهمة على الكود. مابيل، توماس ميشسكو، دين مولدوفان، بن بريتشارد، وجيسون راينلاندر، وبوريس شيلينج، وبيم شيلارت، وهنري شراينر، وإيفان سميرنوف، وبوريس ستاليتش، وباتريك ستيوارت.

نشكر Google على مساهمتها المالية السخية في البنية التحتية للتكامل المستمر التي يستخدمها هذا المشروع.

المساهمة

راجع دليل المساهمة للحصول على معلومات حول البناء والمساهمة في pybind11.

رخصة

يتم توفير pybind11 بموجب ترخيص نمط BSD الذي يمكن العثور عليه في ملف الترخيص. باستخدام هذا المشروع أو توزيعه أو المساهمة فيه، فإنك توافق على شروط وأحكام هذا الترخيص.