Boost.Python（日本語訳）

Boost.Python（日本語訳） Boost.Python Dave Abrahams Copyright © 2002-2003 Dave Abrahams1 翻訳にあたって • 本書は Boost.Python ドキュメントの日本語訳です。原文書のバージョンは翻訳時の最新である 1.55.0 です。 • 原文の誤りは修正したうえで翻訳しました。 • 外部文書の表題等は英語のままにしてあります。 • Python のサイトへのリンクは可能な限り日本語サイトへ変更しました。 • 原文に含まれているローカルファイルへのハイパーリンクは削除したか、Boost のサイトへのリンクに変更しました。 • ファイル名、ディレクトリ名は pathname のように記します。 • その他、読みやすくするためにいくつか書式の変更があります。 • 翻訳の誤り等は exeal に連絡ください。概要 Boost.Python のバージョン 2 へようこそ。Boost.Python は、C++と Python プログラミング言語間のシームレスな相互運用を可能にする C++ライブラリである。新バージョンは、より便利で柔軟なインターフェイスを備えるために完全に一から書き直した。加えて以下の項目をサポートする機能を追加した： • 参照とポインタ • 大域に登録した型変換 • モジュール間の自動的な型変換 • 効率的な関数多重定義 • C++例外の Python への変換 • 既定の引数 • キーワード引数 • C++における Python オブジェクトの操作 • C++のイテレータを Python のイテレータとしてエクスポート • ドキュメンテーション文字列これらの機能の開発は、Boost Consulting に対する Lawrence Livemore National Laboratories の一部助成と、Lawrence Berkeley 1 訳注原著のライセンス : “Distributed under the Boost Software License, Version 1.0. (See accompanying file LICENSE_1_0.txt or copy at http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)”。本稿のライセンスも同様とします。 1 Boost.Python（日本語訳） National Laboratories の Computational Crystallography Initiative に提供を受けた。 2 Boost.Python（日本語訳）チュートリアル Copyright © 2002-2005 Joel de Guzman, David Abrahams クイックスタート Boost.Python ライブラリは Python と C++間のインターフェイスのためのフレームワークである。C++のクラス、関数、オブジェクトをすばやくシームレスに Python へエクスポートでき、また逆に Python から C++へエクスポートできる。特別なツールは必要なく、あなたのコンパイラだけで可能だ。このライブラリは C++インターフェイスを非侵入的にラップするよう設計されており、C++コードを変更する必要は一切ない。このため、サードパーティ製ライブラリを Python へエクスポートするには Boost.Python が最適である。ライブラリは高度なメタプログラミング技術を使ってその構文を単純化しており、コードのラッピングは宣言的なインターフェイス定義言語（IDL）のような見た目になっている。 Hello World C/C++の伝統に従い「hello, world」から始めるとしよう。 char const* greet() { return "hello, world"; } この C++関数は、次の Boost.Python ラッパを書くことで Python へエクスポートできる。 #include <boost/python.hpp> BOOST_PYTHON_MODULE(hello_ext) { using namespace boost::python; def("greet", greet); } これですべてである。あとはこれを共有ライブラリとしてビルドすると、生成した DLL が Python から可視となる。以下は Python のセッション例である。 >>> import hello_ext >>> print hello_ext.greet() hello, world 次回、「Hello World モジュールのビルド」。 3 Boost.Python（日本語訳） Hello World のビルド始めから終わりまでまず最初は Hello World モジュールをビルドして Python で使ってみることだろう。本節でそのためのステップを明らかにする。あらゆる Boost ディストリビューションに付属するビルドツールである bjam を使用する。注意 bjam を使用せずにビルドする当然 bjam 以外にモジュールをビルドする方法はある。ここに書いていることが「唯一の方法」というわけではない。bjam の他にビルドツールは存在する。しかしながら Boost.Python のビルドには bjam が適していると記しておく。セットアップを失敗させる方法はたくさんある。経験から言えば「Boost.Python がビルドできない」という問題の 9 割は、他のツールを使用することを余儀なくされた人から寄せられた。細かいことは省略する。ここでの目的は Hello World モジュールを簡単に作成して Python で走らせることである。Boost.Python のビルドについて完全なリファレンスは「ビルドとテスト」を見るとよい。この短いチュートリアルが終わったら DLL のビルドが完了して Python のプログラムで拡張が走っているはずである。チュートリアルの例はディレクトリ/libs/python/example/tutorial にある。以下のファイルがある。 • hello.cpp • hello.py • Jamroot hello.cpp ファイルは C++の Hello World 例、Jamroot は DLL をビルドする最小限の bjam スクリプトである。そして hello.py は hello.cpp の拡張を使用する Python プログラムである。何よりもまず bjam の実行可能ファイルを boost ディレクトリか、bjam をコマンドラインから実行できるパスに置いておく。ほとんどのプラットフォームでビルド済み Boost.Jam 実行可能ファイルが利用できる。bjam 実行可能ファイルの完全なリストがここにある。 Jam ろう！最小限の Jamroot ファイルを /libs/python/example/tutorial/ Jamroot に置いておく。そのままファイルをコピーして use- project boost の部分を Boost のルートディレクトリに設定すればよい。必要なことはこの Jamrules ファイルのコメントに書いてある。 bjam を起動するオペレーティングシステムのコマンドラインインタープリタから bjam を起動する。では、始めるとしよう。 user-config.jam という名前のファイルをホームディレクトリに置いてツールを調整する。 Windows の場合、コマンドプロンプト 4 Boost.Python（日本語訳）ウィンドウで次のようにタイプするとホームディレクトリがわかる。 ECHO %HOMEDRIVE%%HOMEPATH% ファイルには少なくともコンパイラと Python のインストールについてのルールを書いておく必要がある。Windows の場合は例えば以下のとおり： # Microsoft Visual C++の設定 using msvc : 8.0 ; # Python の設定 using python : 2.4 : C:/dev/tools/Python ; 1 番目のルールで MSVC 8.0 とその関連ツールを使用することを bjam に設定している。2 番目のルールは Python についての設定であり、Python のバージョンと場所を指定している。上の例では C:/dev/tools/Python に Python をインストールした想定である。Python を正しく「標準的に」インストールした場合はこの設定は不要である。ここまで来れば準備は整った。チュートリアルの hello.cpp と Jamroot が置いてある libs/python/example/tutorial に cd で移動するのを忘れないように。 bjam これでビルドが始まり、 cd C:\dev\boost\libs\python\example\tutorial bjam ...patience... ...found 1101 targets... ...updating 35 targets... 最終的に例えば以下のように表示される。 Creating library path-to-boost_python.dll Creating library /path-to-hello_ext.exp/ **passed** ... hello.test ...updated 35 targets... すべて問題なければ、DLL がビルドされ Python のプログラムが走るはずである。さあ、楽しんでいただきたい！クラスのエクスポートでは C++クラスを Python へエクスポートしよう。エクスポートすべき C++クラス・構造体を考えよう。 5 Boost.Python（日本語訳） struct World { void set(std::string msg) { this->msg = msg; } std::string greet() { return msg; } std::string msg; }; 相当する Boost.Python ラッパを書いて Python へエクスポートできる。 #include <boost/python.hpp> using namespace boost::python; BOOST_PYTHON_MODULE(hello) { class_<World>("World") .def("greet", &World::greet) .def("set", &World::set) ; } 上記のようにメンバ関数 greet および set をエクスポートする C++クラスラッパを書いた。このモジュールを共有ライブラリとしてビルドすると、Python 側から World クラスが使用できるようになる。次に示すのは Python のセッション例である。 >>> import hello >>> planet = hello.World() >>> planet.set('howdy') >>> planet.greet() 'howdy' コンストラクタ前回の例では明示的なコンストラクタが登場しなかった。World はプレーンな構造体として宣言したので、暗黙のデフォルトコンストラクタとなっていた。Boost.Python は既定ではデフォルトコンストラクタをエクスポートするので、以下のように書けた。 >>> planet = hello.World() デフォルトでないコンストラクタを使ってクラスをラップしたい場合もあるだろう。前回の例をビルドする。 struct World { World(std::string msg): msg(msg) {} // コンストラクタを追加した void set(std::string msg) { this->msg = msg; } std::string greet() { return msg; } std::string msg; }; これで World にデフォルトコンストラクタはなくなった。前回のラップコードは、ライブラリをエクスポートするところでコンパイルに失敗するだろう。代わりにエクスポートしたいコンストラクタについて class_<World>に通知しなければならない。 6 Boost.Python（日本語訳） #include <boost/python.hpp> using namespace boost::python; BOOST_PYTHON_MODULE(hello) { class_<World>("World", init<std::string>()) .def("greet", &World::greet) .def("set", &World::set) ; } init<std::string>() が、 std::string を引数にとるコンストラクタをエクスポートする（ Python ではコンストラクタを「"__init__"」と書く）。 def()メンバ関数に init<...>を渡すことでエクスポートするコンストラクタを追加できる。例えば World に double を 2 つとる別のコンストラクタがあるとすれば、 class_<World>("World", init<std::string>()) .def(init<double, double>()) .def("greet", &World::greet) .def("set", &World::set) ; 逆にコンストラクタを 1 つもエクスポートしたくない場合は、代わりに no_init を使う。 class_<Abstract>("Abstract", no_init) これは実際には、常に Python の RuntimeError 例外を投げる__init__メソッドを追加する。クラスデータメンバデータメンバもまた Python へエクスポートでき、対応する Python クラスの属性としてアクセス可能になる。各データメンバは読み取り専用か読み書き可能として見なすことができる。以下の Var クラスを考えよう。 struct Var { Var(std::string name) : name(name), value() {} std::string const name; float value; }; C++クラス Var とそのデータメンバは次のようにして Python へエクスポートできる。 class_<Var>("Var", init<std::string>()) .def_readonly("name", &Var::name) .def_readwrite("value", &Var::value); これで Python 側で hello 名前空間内に Var クラスがあるように扱うことができる。 7 Boost.Python（日本語訳） >>> x = hello.Var('pi') >>> x.value = 3.14 >>> print x.name, 'is around', x.value pi is around 3.14 name を読み取り専用としてエクスポートしたいっぽうで、value は読み書き可能としてエクスポートしたことに注意していただきたい。 >>> x.name = 'e' # name は変更できない Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in ? AttributeError: can't set attribute クラスプロパティ C++では、公開データメンバを持つクラスは受け入れられない。カプセル化を利用して適切に設計されたクラスは、クラスのデータメンバを隠蔽しているものである。クラスのデータにアクセスする唯一の方法はアクセス関数（getter および setter）を介したものである。アクセス関数はクラスのプロパティをエクスポートする。以下がその例である。 struct Num { Num(); float get() const; void set(float value); ... }; しかしながら Python における属性アクセスは優れたものである。ユーザが属性を直接処理しても、必ずしもカプセル化が破壊されるわけではない。属性はメソッド呼び出しの別の構文だからである。 Num クラスを Boost.Python を使ってラップすると次のようになる。 class_<Num>("Num") .add_property("rovalue", &Num::get) .add_property("value", &Num::get, &Num::set); これで Python 側は以下のようになる。 >>> x = Num() >>> x.value = 3.14 >>> x.value, x.rovalue (3.14, 3.14) >>> x.rovalue = 2.17 # エラー！以下のように rovalue の setter メンバ関数を渡していないため、クラスのプロパティ rovalue は読み取り専用としてエクスポートされることに注意していただきたい。 8 Boost.Python（日本語訳） .add_property("rovalue", &Num::get) 継承これまでの例では多態的でないクラスを扱ってきたが、通常、そうしたことはあまりない。多くの場合、多態的なクラスや継承が絡んだクラス階層をラップすることになるだろう。仮想基底クラスから派生したクラスについて Boost.Python ラッパを書かなければならなくなるだろう。次のような簡単な継承構造を考えよう。 struct Base { virtual ~Base(); }; struct Derived : Base {}; Base と Derived インスタンスを処理する C++関数群もあるとする。 void b(Base*); void d(Derived*); Base* factory() { return new Derived; } 基底クラス Base をラップする方法は以前見た。 class_<Base>("Base") /*...*/ ; Derived とその基底クラスである Base の関係について Boost.Python に伝える。 class_<Derived, bases<Base> >("Derived") /*...*/ ; これで自動的に以下の効果が得られる： 1. Derived は Base のすべてのメソッド（ラップされた C++メンバ関数）を自動的に継承する。 2. Base が多態的である場合、Base へのポインタか参照で Python へ渡した Derived オブジェクトは、Derived へのポインタか参照が期待されているところに渡すことができる。次に C++自由関数 b、d および factory をエクスポートする。 def("b", b); def("d", d); def("factory", factory); 自由関数 factory が、Derived クラスの新しいインスタンスを生成するために使われることに注意していただきたい。このような場合は return_value_policy<manage_new_object>を使って、Base へのポインタを受け入れ、Python のオブジェクトが破壊さ 9 Boost.Python（日本語訳）れるまでインスタンスを新しい Python の Base オブジェクトに保持しておくことを Python に伝える。Boost.Python の呼び出しポリシーについては後で詳しく述べる。 // factory の結果について所有権を取るよう Python に伝える def("factory", factory, return_value_policy<manage_new_object>()); 仮想関数本節では仮想関数を使って関数に多態的な振る舞いをさせる方法について学ぶ。前の例に引き続き、Base クラスに仮想関数を 1 つ追加しよう。 struct Base { virtual ~Base() {} virtual int f() = 0; }; Boost.Python の目標の 1 つが、既存の C++の設計に対して侵入を最小限にすることである。原則的にはサードパーティ製ライブラリに対して、インターフェイス部分を変更することなくエクスポート可能であるべきである。Base クラスに何かを追加するのは望ましいことではない。しかし Python 側でオーバーライドし C++から多態的に呼び出す関数の場合、正しく動作させるのに足場が必要になる。Python のオーバーライドが呼び出されるように仮想関数に非侵入的にフックする、Base から派生したラッパクラスを書くことである。 struct BaseWrap : Base, wrapper<Base> { int f() { return this->get_override("f")(); } }; Base の継承に加え、wrapper<Base>を多重継承していることに注意していただきたい（ラッパの節を見よ）。wrapper テンプレートはラップするクラスを Python 側でオーバーライドできるようにする段取りを容易にする。 msvc6/7 におけるバグの回避方法 Microsoft Visual C++のバージョン 6 か 7 を使っている場合、f は次のように書かなければならない。 return call<int>(this->get_override("f").ptr()); BaseWrap のオーバーライドされた仮想メンバ関数 f は、実際には get_override を介して Python オブジェクトの相当するメソッドを呼び出す。最後に Base をエクスポートする。 10 Boost.Python（日本語訳） class_<BaseWrap, boost::noncopyable>("Base") .def("f", pure_virtual(&Base::f)) ; pure_virtual は、関数 f が純粋仮想関数であることを

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