Python之ctypes

ctypes 是 Python 标准库中的一个模块，用于调用动态链接库（如 .dll、.so、.dylib）中的 C 函数，并与 C 兼容的数据类型进行交互。它允许 Python 程序直接与用 C/C++ 编写的共享库进行交互，而无需编写额外的绑定代码（如使用 Cython 或 SWIG）。这在需要高性能计算、复用已有 C 库或操作系统底层接口时非常有用。

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主要功能

1. 加载动态链接库

   • Windows: ctypes.WinDLL / ctypes.CDLL

   • Linux/macOS: ctypes.CDLL

   • 示例：

     import ctypes
     libc = ctypes.CDLL("libc.so.6")  # Linux
     # 或
     msvcrt = ctypes.CDLL("msvcrt.dll")  # Windows

2. 调用 C 函数

   • 加载后可像普通函数一样调用：

     result = libc.printf(b"Hello, %s\n", b"world")

3. 数据类型映射
   ctypes 提供了与 C 类型对应的 Python 类型，例如：

   • c_int, c_char, c_double, c_void_p 等
   • 数组：c_int * 10
   • 结构体：继承 ctypes.Structure
   • 联合体：继承 ctypes.Union

   示例结构体

   class Point(ctypes.Structure):
       _fields_ = [("x", ctypes.c_int),
                   ("y", ctypes.c_int)]
   p = Point(10, 20)

4. 指定函数参数和返回类型

   • 默认情况下，ctypes 假设函数返回 c_int，参数按 C 的默认规则转换。

   • 可显式设置：

     libc.malloc.argtypes = [ctypes.c_size_t]
     libc.malloc.restype = ctypes.c_void_p

5. 回调函数（Callback）

   • 可将 Python 函数作为 C 函数指针传入：python

     CMPFUNC = ctypes.CFUNCTYPE(ctypes.c_int, ctypes.c_int, ctypes.c_int)
     def py_cmp(a, b):
         return a - b
     cmp_func = CMPFUNC(py_cmp)

6. 内存管理

   • 可通过 ctypes.create_string_buffer() 创建可变内存块
   • 注意：不当使用可能导致段错误（segmentation fault）

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使用场景

• 调用系统 API（如 Windows API）
• 复用高性能 C 库（如数学计算、图像处理）
• 与硬件驱动或嵌入式设备通信
• 快速原型开发，避免重写 C 代码

检查屏幕状态

通过cypes加载Windows API的user32.dll动态链接库

user32.dll是Windows系统中负责用户界面相关功能的核心库，提供了窗口管理、消息处理等功能

def check_screen_state():
        user32 = ctypes.windll.user32 
        #GetDC函数用于获取指定窗口的设备上下文（Device Context），0表示获取整个屏幕的DC,而不是特定窗口的
        hdc = user32.GetDC(0)
        
        try:
            # 获取设备的特定能力值，109对应WindowsAPI中的SM_CMONITORS常量，用于获取系统中显示器的数量
            result = user32.GetDeviceCaps(hdc, 109) # 目的是检查系统中是否有显示器连接
            if result == 0:
                current_state = 'off'
            else:
                '''
                SystemParametersInfoW是WindowsAPI中的一个核心函数，用于获取或设置各种系统参数。
                后缀W表示这是Unicode版本的函数，用于处理宽字符
                BOOL SystemParametersInfoW(
                    UINT  uiAction,      // 要执行的操作
                    UINT  uiParam,       // 操作相关的参数
                    PVOID pvParam,       // 数据缓冲区指针
                    UINT  fWinIni        // 更新配置文件的标志
                );
                - 当调用 SystemParametersInfoW(16, 0, None, 0) 时：
                - uiAction = SPI_GETSCREENSAVERRUNNING (16)
                - uiParam = 0 (此操作不需要额外参数)
                - pvParam = None (在 Python 中，这里会返回布尔值)
                - fWinIni = 0 (不需要更新配置文件)
                - 返回值：如果屏幕保护程序正在运行，返回非零值；否则返回 0。
                '''
                is_screen_saver_running = user32.SystemParametersInfoW(16, 0, None, 0) 
                if is_screen_saver_running:
                    current_state = 'screensaver' // 屏幕保护程序运行
                else:
                    # 参数 114 用于检查显示器电源管理是否已激活,对应WindowsAPI中的常量SPI_GETTPOWEROFFACTIVE
                    is_monitor_off = user32.SystemParametersInfoW(114, 0, None, 0) 
                    if is_monitor_off:
                        current_state = 'off' // 屏幕关闭
                    else:
                        current_state = 'on' // 屏幕亮起
        except:
            current_state = 'unknown' // 屏幕状态未知
        finally:
            user32.ReleaseDC(0, hdc)

        return current_state
    

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注意事项

• 平台依赖性：不同操作系统/架构下，库名称、调用约定（calling convention）可能不同。
• ABI 兼容性：需确保调用的函数签名与实际一致，否则程序可能崩溃。
• 安全性 ：ctypes 绕过了 Python 的内存安全机制，错误使用可能导致严重问题。
• 性能开销：虽然调用的是原生代码，但频繁的 Python ↔ C 转换仍有开销。

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简单示例：调用 C 标准库的 abs

import ctypes

# 加载 C 标准库（Linux/macOS）
libc = ctypes.CDLL("libc.so.6")  # macOS 可能是 "libc.dylib"

# 设置函数签名
libc.abs.argtypes = [ctypes.c_int]
libc.abs.restype = ctypes.c_int

# 调用
print(libc.abs(-42))  # 输出: 42

在 Windows 上可使用 "msvcrt.dll" 并调用 abs。

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总之，ctypes 是 Python 与 C 世界之间的一座桥梁，强大但需谨慎使用。对于更复杂或高频的交互，也可考虑 cffi、pybind11 或 Cython 等替代方案。