python - Cython 和 fortran - 如何在没有 f2py 的情况下一起编译

Question

最终更新

这个问题是关于如何写一个setup.py这将编译一个直接访问 FORTRAN 代码的 cython 模块，就像 C 一样。这是一个相当漫长而艰巨的解决方案之旅，但完整的困惑包含在下面作为上下文。

原问题

我有一个扩展名，它是一个 Cython 文件，它设置了一些堆内存并将其传递给 fortran 代码，还有一个 fortran 文件，这是一个古老的模块，如果可以，我希望避免重新实现。
.pyx文件可以很好地编译为 C，但是 cython 编译器在 .f90 上卡住了带有以下错误的文件:

$ python setup.py build_ext --inplace
running build_ext
cythoning delaunay/__init__.pyx to delaunay/__init__.c
building 'delaunay' extension
error: unknown file type '.f90' (from 'delaunay/stripack.f90')

这是我的安装文件(的上半部分):

from distutils.core import setup, Extension
from Cython.Distutils import build_ext

ext_modules = [
  Extension("delaunay",
    sources=["delaunay/__init__.pyx",
             "delaunay/stripack.f90"])
]

setup(
  cmdclass = {'build_ext': build_ext},
  ext_modules = ext_modules,
  ...
)

注意:我最初错误地指定了 fortran 文件的位置(没有目录前缀)，但是在我修复它之后这以完全相同的方式中断。

我尝试过的东西:

我找到了 this ，并尝试像这样传入 fortran 编译器(即 gfortran)的名称:

$ python setup.py config --fcompiler=gfortran build_ext --inplace
usage: setup.py [global_opts] cmd1 [cmd1_opts] [cmd2 [cmd2_opts] ...]
   or: setup.py --help [cmd1 cmd2 ...]
   or: setup.py --help-commands
   or: setup.py cmd --help

error: option --fcompiler not recognized

我也试过删除 --inplace ，以防万一这是问题(不是，与顶部错误消息相同)。

那么，我如何编译这个fortran？我可以把它破解成 .o我自己并摆脱链接它？或 is this a bug in Cython ，这将迫使我重新实现 distutils 或使用预处理器进行破解？

更新

所以，检查了 numpy.distutils包，我更了解这个问题。看来你必须

使用 cython 将 .pyx 文件转换为 cpython .c 文件，

然后使用 Extension/setup()支持 fortran 的组合，如 numpy的。

试过了，我的 setup.py现在看起来像这样:

from numpy.distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
from numpy.distutils.extension import Extension

cy_modules = cythonize('delaunay/sphere.pyx')
e = cy_modules[0]

ext_modules = [
  Extension("delaunay.sphere",
      sources=e.sources + ['delaunay/stripack.f90'])
]

setup(
  ext_modules = ext_modules,
  name="delaunay",
  ...
)

(请注意，我还对模块进行了一些重构，因为似乎不允许使用 __init__.pyx...)

现在是事情变得有问题并且依赖于平台的地方。我有两个可用的测试系统 - 一个使用 Macports Python 2.7 的 Mac OS X 10.6 (Snow Leopard) 和一个使用系统 python 2.7 的 Mac OS X 10.7 (Lion)。

在 Snow Leopard 上，以下内容适用:

这意味着模块编译(欢呼!)(虽然似乎没有 --inplace 用于 numpy，所以我必须在系统范围内安装测试模块 :/)但我仍然在 import 上崩溃如下:

  >>> import delaunay
  Traceback (most recent call last):
    File "<input>", line 1, in <module>
    File "<snip>site-packages/delaunay/__init__.py", line 1, in <module>
      from sphere import delaunay_mesh
  ImportError: dlopen(<snip>site-packages/delaunay/sphere.so, 2): no suitable image found.  Did find:
    <snip>site-packages/delaunay/sphere.so: mach-o, but wrong architecture

在 Lion 上，我收到一个编译错误，遵循一个看起来相当困惑的编译行:

gfortran:f77: build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.f
/usr/local/bin/gfortran -Wall -arch i686 -arch x86_64 -Wall -undefined dynamic_lookup -bundle build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/fortranobject.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/stripack.o build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.o -lgfortran -o build/lib.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.so
ld: duplicate symbol _initsphere in build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o ldand :build /temp.macosx-10.7-intelduplicate- 2.7symbol/ delaunay/sphere.o _initsphere in forbuild architecture /i386
temp.macosx-10.7-intel-2.7/build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/spheremodule.o and build/temp.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere.o for architecture x86_64

现在让我们先退后一步，然后再仔细研究这里的细节。首先，我知道在 64 位 Mac OS X 中存在很多关于架构冲突的问题；我不得不非常努力地让 Macports Python 在 Snow Leopard 机器上工作(只是为了从系统 python 2.6 升级)。我也知道当你看到 gfortran -arch i686 -arch x86_64您正在向编译器发送混合消息。那里埋藏着各种特定于平台的问题，我们无需在此问题的上下文中担心。

但让我们看看这一行: gfortran:f77: build/src.macosx-10.7-intel-2.7/delaunay/sphere-f2pywrappers.f
NumPy 在做什么？! 在这个版本中我不需要任何 f2py 功能!我实际上编写了一个 cython 模块以避免处理 f2py 的疯狂(我需要有 4 或 5 个输出变量，以及既不输入也不输出的参数——这两个参数在 f2py 中都没有得到很好的支持。)我只是想要它编译 .c -> .o , 和 .f90 -> .o并将它们链接起来。如果我知道如何包含所有相关的头文件，我可以自己编写这个编译器行。

请告诉我我不需要为此编写自己的 makefile...问题。)请注意 f2c 不适合这个，因为它只适用于 F77，这是一种更现代的方言(因此是 .f90 文件扩展名)。

更新 2
以下 bash 脚本将愉快地编译和链接代码:

PYTHON_H_LOCATION="/opt/local/Library/Frameworks/Python.framework/Versions/2.7/include/python2.7/"

cython sphere.pyx

gcc -arch x86_64 -c sphere.c -I$PYTHON_H_LOCATION
gfortran -arch x86_64 -c stripack.f90
gfortran -arch x86_64 -bundle -undefined dynamic_lookup -L/opt/local/lib *.o -o sphere.so

关于如何使这种 hack 与 setup.py 兼容的任何建议？我没有安装这个模块的人必须去找 Python.h手动...

Answer 1

更新:我在 github 上创建了一个项目，它手动完成了编译行的生成。它叫做 complicated_build .

更新 2:事实上，“手动生成”是一个非常糟糕的主意，因为它是特定于平台的——该项目现在从 distutils.sysconfig 读取值。模块，这是用于编译 python 的设置(即正是我们想要的)，唯一猜测的设置是 fortran 编译器和文件扩展名(用户可配置)。我怀疑它现在正在重新实现一些 distutils!

这样做的方法是编写您自己的编译器行，并将它们破解到您的 setup.py 中。 .我在下面展示了一个适用于我的(非常简单的)案例的示例，它具有以下结构:

进口

cythonize()任何 .pyx文件，所以你只有 fortran 和 C 文件。

定义一个 build()编译代码的函数:

也许一些易于更改的常量，例如编译器名称和体系结构

列出 fortran 和 C 文件

生成将构建模块的 shell 命令

添加链接器行

运行 shell 命令。

如果命令是 install并且目标还不存在，构建它。

运行 setup(将构建纯 python 部分)

如果命令是 build ，现在运行构建。

我的实现如下所示。它只为一个扩展模块设计，并且每次都会重新编译所有文件，因此可能需要进一步扩展才能更通用。另请注意，我已经硬编码了各种 unix / s，所以如果你把它移植到 Windows 上，请确保你适应或替换为 os.path.sep .

from distutils.core import setup
from distutils.sysconfig import get_python_inc
from Cython.Build import cythonize
import sys, os, shutil

cythonize('delaunay/sphere.pyx')

target = 'build/lib/delaunay/sphere.so'

def build():
  fortran_compiler = 'gfortran'
  c_compiler = 'gcc'
  architecture = 'x86_64'
  python_h_location = get_python_inc()
  build_temp = 'build/custom_temp'
  global target

  try:
    shutil.rmtree(build_temp)
  except OSError:
    pass

  os.makedirs(build_temp) # if you get an error here, please ensure the build/ ...
  # folder is writable by this user.

  c_files = ['delaunay/sphere.c']
  fortran_files = ['delaunay/stripack.f90']

  c_compile_commands = []

  for cf in c_files:
    # use the path (sans /s), without the extension, as the object file name:
    components = os.path.split(cf)
    name = components[0].replace('/', '') + '.'.join(components[1].split('.')[:-1])
    c_compile_commands.append(
      c_compiler + ' -arch ' + architecture + ' -I' + python_h_location + ' -o ' +
      build_temp + '/' + name + '.o -c ' + cf
    )

  fortran_compile_commands = []

  for ff in fortran_files:
    # prefix with f in case of name collisions with c files:
    components = os.path.split(ff)
    name = components[0].replace('/', '') + 'f' + '.'.join(components[1].split('.')[:-1])
    fortran_compile_commands.append(
      fortran_compiler + ' -arch ' + architecture + ' -o ' + build_temp + 
      '/' + name + '.o -c ' + ff
    )

  commands = c_compile_commands + fortran_compile_commands + [
    fortran_compiler + ' -arch ' + architecture + 
    ' -bundle -undefined dynamic_lookup ' + build_temp + '/*.o -o ' + target
  ]

  for c in commands:
    os.system(c)


if 'install' in sys.argv and not os.path.exists(target):
  try:
    os.makedirs('build/lib/delaunay')
  except OSError:
    # we don't care if the containing folder already exists.
    pass
  build()

setup(
  name="delaunay",
  version="0.1",
  ...
  packages=["delaunay"]
)

if 'build' in sys.argv:
  build()

这可以被包装成一个新的 Extension我猜是类(class)，有自己的 build_ext命令 - 高级学生的练习；)