Python-C-Extensions schreiben mit C und Cython

Python-C-Extensions schreiben mit C und Cython

Ein praxisorientierter Leitfaden zur Erweiterung und Beschleunigung von Python mit C und Cython

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1: Warum Python mit C erweitern?

• Performance-Gründe und native Bibliotheken
• Vergleich: reines Python vs. C-Extension vs. Cython
• Mögliche Anwendungsfälle: Mathe, Bildverarbeitung, Parser
• Überblick: CPython API, Cython, ctypes, cffi

Kapitel 2: Einstieg in die Python-C-API

• Aufbau einer C-Erweiterung
• Python-Header einbinden (Python.h)
• PyObject, Referenzzählung, Rückgabewerte
• Mini-Projekt: „Hello from C“ in Python aufrufen

Kapitel 3: C-Funktionen nach Python exportieren

• Funktionssignaturen (PyObject*)
• Argument-Parsing mit PyArg_ParseTuple()
• Rückgabe von Zahlen, Strings, Listen
• Mini-Projekt: Mathematische Funktionen als C-Module

Kapitel 4: C-Module kompilieren und einbinden

• Verwendung von setuptools und Extension
• setup.py oder pyproject.toml
• Kompilieren, installieren und importieren
• Mini-Projekt: Schnelle Stringoperationen als C-Modul

Kapitel 5: Arbeiten mit Arrays und Pufferobjekten

• Zugriff auf NumPy-Arrays in C
• buffer protocol, Pointer, Stride
• Mini-Projekt: Bildfilterung über NumPy in C realisieren

Kapitel 6: Einstieg in Cython

• Was ist Cython?
• Vorteile gegenüber purer C-API
• Typisierung und Cython-Dateien (.pyx, .pxd)
• Mini-Projekt: Schneller Algorithmus mit Cython umsetzen

Kapitel 7: Python-Module mit Cython erstellen

• cythonize() und setup.py
• cdef, cpdef, def – was ist was?
• Kombination von Python- und C-Funktionen
• Mini-Projekt: Cython-Paket mit mathematischen Operationen

Kapitel 8: C-Bibliotheken in Cython einbinden

• Externe C-Funktionen importieren
• Header-Dateien mit .pxd-Definitionen nutzen
• Mini-Projekt: OpenSSL oder zlib über Cython aufrufen

Kapitel 9: Performance-Analyse und Debugging

• Laufzeitvergleich mit timeit
• Profiler für Cython verwenden
• Debuggen von C-Erweiterungen
• Mini-Projekt: Optimierung eines rechenintensiven Moduls

Kapitel 10: Best Practices und Sicherheit

• Fehlerbehandlung in C (NULL, Exceptions)
• Speicherlecks und Referenzzähler kontrollieren
• Portabilität und Build-Systeme (Linux, Windows, macOS)
• Tipps zur Kombination mit purem Python-Code

Anhang A: Die wichtigsten Funktionen der Python-C-API

• PyArg_ParseTuple, Py_BuildValue, Py_INCREF, Py_DECREF, PyList_New etc.

Anhang B: Vergleich: C, Cython, ctypes, cffi

• Was eignet sich wann?
• Vor- und Nachteile jeder Methode

Anhang C: Übungsaufgaben mit Lösungen

• Eigene C-Funktion schreiben und einbinden
• Rechenmodul mit Cython implementieren
• C-Bibliothek in Cython aufrufen
• Lösungen mit Schritt-für-Schritt-Kommentaren