Fortran - Cython 工作流程

Question

我想在Windows电脑上搭建一个工作流程，让Python可以调用Fortran的程序，使用Cython来实现。

经过一番搜索，我找到了以下链接：http://www.fortran90.org/src/best-practices.html#interfacing-with-c 和 https://stackoverflow.com/tags/fortran-iso-c-binding/info

还有一些代码片段：

Fortran部分：

pygfunc.h:

void c_gfunc(double x, int n, int m, double *a, double *b, double *c);

pygfunc.f90

module gfunc1_interface
    use iso_c_binding
    use gfunc_module

    implicit none

contains
    subroutine c_gfunc(x, n, m, a, b, c) bind(c)
        real(C_FLOAT), intent(in), value :: x
        integer(C_INT), intent(in), value ::  n, m
        type(C_PTR),    intent(in), value :: a, b
        type(C_PTR),                value :: c

        real(C_FLOAT), dimension(:), pointer :: fa, fb
        real(C_FLOAT), dimension(:,:), pointer :: fc

        call c_f_pointer(a, fa, (/ n /))
        call c_f_pointer(b, fb, (/ m /))
        call c_f_pointer(c, fc, (/ n, m /))
        call gfunc(x, fa, fb, fc)
     end subroutine

end module

gfunc.f90

module gfunc_module

use iso_c_binding

    implicit none
    contains
        subroutine gfunc(x, a, b, c)
            real,                 intent(in) :: x
            real, dimension(:),   intent(in) :: a, b
            real, dimension(:,:), intent(out) :: c

            integer :: i, j, n, m
            n = size(a)
            m = size(b)
            do j=1,m
                do i=1,n
                     c(i,j) = exp(-x * (a(i)**2 + b(j)**2))
                end do
            end do
        end subroutine
end module

Cython部分：

pygfunc.pyx

cimport numpy as cnp
import numpy as np

cdef extern from "./pygfunc.h":
    void c_gfunc(double, int, int, double *, double *, double *)

cdef extern from "./pygfunc.h":
    pass

def f(float x, a=-10.0, b=10.0, n=100):
    cdef cnp.ndarray ax, c
    ax = np.arange(a, b, (b-a)/float(n))
    n = ax.shape[0]
    c = np.ndarray((n,n), dtype=np.float64, order='F')
    c_gfunc(x, n, n, <double *> ax.data, <double *> ax.data, <double *> c.data)
    return c

还有设置文件：

from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension
from Cython.Distutils import build_ext
import numpy as np

ext_modules = [Extension('pygfunc', ['pygfunc.pyx'])]

setup(
    name = 'pygfunc',
    include_dirs = [np.get_include()],
    cmdclass = {'build_ext': build_ext},
    ext_modules = ext_modules )

所有文件都在同一个文件夹里。

Fortran文件可以编译（使用NAG Fortran Builder），pygfunc也能编译。

但是在链接它们的时候出现了一个错误：

错误 LNK2019: 找不到外部符号 _c_gfunc，出现在函数 ___pyx_pf_7pygfunc_f 中。

当然，还有：

致命错误 LNK1120: 1 个未解决的外部符号。

我漏掉了什么吗？或者说，这种在Python和Fortran之间搭建工作流程的方法从一开始就注定要失败吗？

谢谢，

马丁

Answer 1

这是一个最小的工作示例。我使用了gfortran，并直接在设置文件中写入了编译命令。

gfunc.f90

module gfunc_module
implicit none
contains
subroutine gfunc(x, n, m, a, b, c)
    double precision, intent(in) :: x
    integer, intent(in) :: n, m
    double precision, dimension(n), intent(in) :: a
    double precision, dimension(m), intent(in) :: b
    double precision, dimension(n, m), intent(out) :: c
    integer :: i, j
    do j=1,m
        do i=1,n
             c(i,j) = exp(-x * (a(i)**2 + b(j)**2))
        end do
    end do
end subroutine
end module

pygfunc.f90

module gfunc1_interface
use iso_c_binding, only: c_double, c_int
use gfunc_module, only: gfunc
implicit none
contains
subroutine c_gfunc(x, n, m, a, b, c) bind(c)
    real(c_double), intent(in) :: x
    integer(c_int), intent(in) ::  n, m
    real(c_double), dimension(n), intent(in) :: a
    real(c_double), dimension(m), intent(in) :: b
    real(c_double), dimension(n, m), intent(out) :: c
    call gfunc(x, n, m, a, b, c)
end subroutine
end module

pygfunc.h

extern void c_gfunc(double* x, int* n, int* m, double* a, double* b, double* c);

pygfunc.pyx

from numpy import linspace, empty
from numpy cimport ndarray as ar

cdef extern from "pygfunc.h":
    void c_gfunc(double* a, int* n, int* m, double* a, double* b, double* c)

def f(double x, double a=-10.0, double b=10.0, int n=100):
    cdef:
        ar[double] ax = linspace(a, b, n)
        ar[double,ndim=2] c = empty((n, n), order='F')
    c_gfunc(&x, &n, &n, <double*> ax.data, <double*> ax.data, <double*> c.data)
    return c

setup.py

from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension
from Cython.Distutils import build_ext
# This line only needed if building with NumPy in Cython file.
from numpy import get_include
from os import system

# compile the fortran modules without linking
fortran_mod_comp = 'gfortran gfunc.f90 -c -o gfunc.o -O3 -fPIC'
print fortran_mod_comp
system(fortran_mod_comp)
shared_obj_comp = 'gfortran pygfunc.f90 -c -o pygfunc.o -O3 -fPIC'
print shared_obj_comp
system(shared_obj_comp)

ext_modules = [Extension(# module name:
                         'pygfunc',
                         # source file:
                         ['pygfunc.pyx'],
                         # other compile args for gcc
                         extra_compile_args=['-fPIC', '-O3'],
                         # other files to link to
                         extra_link_args=['gfunc.o', 'pygfunc.o'])]

setup(name = 'pygfunc',
      cmdclass = {'build_ext': build_ext},
      # Needed if building with NumPy.
      # This includes the NumPy headers when compiling.
      include_dirs = [get_include()],
      ext_modules = ext_modules)

test.py

# A script to verify correctness
from pygfunc import f
print f(1., a=-1., b=1., n=4)

import numpy as np
a = np.linspace(-1, 1, 4)**2
A, B = np.meshgrid(a, a, copy=False)
print np.exp(-(A + B))

我做的大部分修改并不是特别根本。这里是一些重要的修改。

• 你在混用双精度和单精度浮点数。不要这样做。 在Fortran中使用real，Cython中使用float，NumPy中使用float32；在Fortran中使用双精度，Cython中使用double，NumPy中使用float64。尽量不要无意中混合使用。我在我的示例中假设你想要双精度。

• 你应该将所有变量作为指针传递给Fortran。这样做与C的调用约定不匹配。Fortran中的iso_c_binding模块只匹配C的命名约定。将数组作为指针传递，并将其大小作为单独的值传递。可能还有其他方法，但我不太了解。

我还在设置文件中添加了一些内容，展示了在构建时可以添加的一些更有用的额外参数。

要编译，运行 python setup.py build_ext --inplace。要验证它是否有效，运行测试脚本。

这是在fortran90.org上展示的示例： mesh_exp

这里还有两个我之前整理的示例： ftridiag， fssor。我并不是这方面的专家，但这些示例可能是一个不错的起点。