将python嵌入fortran 90

Question

我正在考虑将python嵌入到fortran90中，以便将python功能添加到我现有的fortran90代码中。我知道这可以通过另一种方法来实现，即使用numpy中的f2py使用fortran90扩展python。但是，我想在fortran中保留我的超级优化主循环，并添加python来完成一些额外的任务/评估进一步的开发，然后才能在fortran中完成它，还可以简化代码维护。我正在寻找下列问题的答案：

1）是否有一个已经存在的库可以将python嵌入到fortran中？（我知道f2py，它反过来做） 2） 我们如何处理从fortran到python再到python的数据传输？ 3） 如何实现回调功能？（让我稍微描述一下这个场景……我有一个fortran语言的主fortran程序，它在Python中调用Func1_Python模块。现在，从这个Func1_Python中，我想调用另一个函数…比如Fortran中的Func2_Fortran） 4） 在fortran中嵌入python解释器对性能的影响是什么……比如加载时间、运行时间、发送数据（一个双精度的大数组）等等

非常感谢您的帮助！！

编辑1：我想通过添加更多关于我正在做的工作的信息来确定讨论的方向。我对科学计算很感兴趣。所以，我会在双精度的大型数组/矩阵上做很多工作，并做浮点运算。因此，除了fortran之外，几乎没有其他选项可以真正为我做这项工作。我想在代码中包含python的原因是，如果需要的话，我可以使用NumPy进行一些基本的计算，并以最小的努力扩展代码的功能。例如，我可以使用几个可用的库来链接python和其他一些包（比如OpenFoam使用PyFoam库）。

Answer 1

如果要在Fortran中嵌入Python，就必须通过Fortran的C接口来实现；这就是ISO-C-u绑定的作用。我警告不要嵌入Python，不是因为这样做的技术困难，而是因为Python（语言或社区）似乎坚决反对将Python用作从属语言。常见的观点是，无论您的代码当前使用的是什么样的非Python语言，都应该分解成库并用于扩展Python，而不是相反。因此，您将看到（如这里所示）更多的回答试图说服您，您真的不想做您实际想做的事情，而不是实际的技术援助。

这不是煽动、社论或道德判断；这是一个简单的事实陈述。如果您尝试嵌入Python，将无法从Python社区获得帮助。

如果您需要的功能超出了Fortran语言本身支持的范围（例如文件系统操作）和您并不特别需要Python和您想要一种比C语言更具表现力的语言，那么您可能需要考虑嵌入Lua。与Python不同，Lua是专门用来嵌入的，因此您可能会面临更少的社会和技术阻力。

有很多项目是integrate Fortran and Lua，到目前为止我看到的最完整的项目是Aotus。作者反应灵敏，集成过程简单。

诚然，这并不能回答最初的问题（如何在Fortran90应用程序中嵌入一个Python解释器），但公平地说，其他任何响应都不能回答。最近，我使用Python作为我的可移植通用语言，在扩展我们的主要产品（用Fortran编写）时，我更愿意坚持使用它。出于上述原因，我放弃了嵌入Python的尝试，转而嵌入Lua；出于社会原因，我觉得Lua是一个更好的技术选择。这不是我的第一选择，但至少对我来说是可行的。

如果我冒犯了任何人，我会道歉；我不是想挑起争执，只是在研究这个特定话题时讲述我的经历。

Answer 2

我已经开发了库^{}，它允许您在Fortran中使用Python（嵌入）。 它使用Fortran C interoperability调用Python C API函数。

虽然我同意扩展（在Python中使用Fortran）通常更可取，但是嵌入有其用途：

• 大型的、现有的Fortran代码可能需要大量的重构 它们可以从Python中使用-这里嵌入可以节省开发时间
• 用Python实现替换现有代码的一部分
• 临时嵌入Python以试验给定的Fortran代码： 例如测试替代算法或提取中间结果

除了嵌入，Forpy还支持扩展Python。 使用Forpy您可以完全用Fortran编写Python扩展模块。 现有工具（如f2py）的一个优点是可以使用Python数据类型 （例如，编写以Python列表为参数的函数或返回Python dict的函数）。

使用现有的（可能是遗留的）Fortran代码通常是非常有挑战性的，我 认为开发人员应该拥有用于嵌入和扩展Python的工具。

Answer 3

一。别这么做

我知道您希望将Python代码添加到Fortan程序中，而不是使用带有Fortran扩展的Python程序。我的第一条建议是不要这样做。在数组运算方面，Fortran比Python快，但是Python比Fortran更容易编写，用OOP技术扩展Python代码更容易，Python可以访问对您很重要的库。您提到在Fortran中有一个超级优化的主循环；Fortran对于超级优化的内部循环非常有用。用Numpy在Python程序中传递Fortran数组的逻辑要比用Fortran正确处理Python对象要简单得多。

当我从头开始一个科学计算项目时，我总是先用Python编写，找出性能瓶颈，然后将它们转换成Fortran。能够用经过验证的Python代码来测试更快的Fortran代码，这样就更容易显示代码工作正常。

由于已经有了现有的代码，用Fortran中的模块扩展Python代码需要重构，但是这个过程应该很简单。将初始化代码与主循环分离，将循环分成逻辑部分，将这些例程中的每一个封装在一个Python函数中，然后主Python代码可以调用Fortran子例程，并根据需要将它们与Python函数交错。在这个过程中，您可以在Fortran中保留主循环中的许多优化。F2PY是一个相当标准的工具，所以很容易找到可以帮助你解决任何问题的人。

2。系统调用

如果必须让Fortran代码调用Python代码，而不是相反，那么最简单的方法是让Fortran代码将一些数据写入磁盘，并使用SYSTEM或EXECUTE_COMMAND_LINE运行Python代码。如果您使用EXECUTE_COMMAND_LINE，您可以让Python代码将其结果输出到stdout，并且Fortran代码可以将其作为字符数据读取；如果您有很多输出（例如，一个大矩阵），那么Python代码输出一个Fortran代码随后读取的文件将更有意义。磁盘读/写开销最终可能会对这一点产生非常大的影响。此外，还必须编写Fortran代码来输出数据，编写Python代码来读取数据，编写Python代码来再次输出数据，编写Fortran代码来重新输入数据。这段代码应该很容易编写和测试，但是在编辑代码时保持这四个部分的同步可能会让人头疼。

（此方法在this Stack Overflow question中试用）

三。在Fortran中C语言中嵌入Python

我不知道如何将内存中的Python对象直接传递给Fortran。然而，Fortran代码可以调用C代码，C代码可以嵌入Python。（参见Python tutorial on extending and embedding）一般来说，扩展Python（如我在点1中推荐的）最好是将它嵌入到C/C++中。（请参见Extending Vs. Embedding: There is Only One Correct Decision）让它工作将是一场噩梦，因为Python和Fortran之间的任何通信问题都可能发生在Python和C之间，或者C和Fortran之间。我不知道是否有人真的将Python嵌入到Fortran中的C中，因此获得帮助将很困难。