Julia 嵌入式 Julia

由  创建, 最后一次修改 2016-08-12

嵌入式 Julia

我们已经知道 调用 C 和 Fortran 代码 Julia 可以用简单有效的方式调用 C 函数。但是有很多情况下正好相反:需要从 C 调用 Julia 函数。这可以把 Julia 代码整合到更大型的 C/C++ 项目中去, 而不需要重新把所有都用 C/C++ 写一遍。 Julia 提供了给 C 的 API 来实现这一点。正如大多数语言都有方法调用 C 函数一样, Julia的 API 也可以用于搭建和其他语言之间的桥梁。

高级嵌入

我们从一个简单的 C 程序入手,它初始化 Julia 并且调用一些 Julia 的代码::

  #include <julia.h>

  int main(int argc, char *argv[])
  {
      jl_init(NULL);
      JL_SET_STACK_BASE;

      jl_eval_string("print(sqrt(2.0))");

      return 0;
  }

编译这个程序你需要把 Julia 的头文件包含在路径内并且链接函数库 libjulia。 比方说 Julia 安装在 $JULIA_DIR, 就可以用 gcc 编译::

    gcc -o test -I$JULIA_DIR/include/julia -L$JULIA_DIR/usr/lib -ljulia test.c

或者可以看看 Julia 源码里 example/ 下的 embedding.c

调用Julia函数之前要先初始化 Julia, 可以用 jl_init 完成,这个函数的参数是Julia安装路径,类型是 const char* 。如果没有任何参数,Julia 会自动寻找 Julia 的安装路径。

第二个语句初始化了 Julia 的任务调度系统。这条语句必须在一个不返回的函数中出现,只要 Julia 被调用(main 运行得很好)。严格地讲,这条语句是可以选择的,但是转换任务的操作将引起问题,如果它被省略的话。

测试程序中的第三条语句使用 jl_eval_string 的调用评估了 Julia 语句。

类型转换

真正的应用程序不仅仅需要执行表达式,而且返回主程序的值。jl_eval_string 返回 jl_value_t,它是一个指向堆上分配的 Julia 对象的指针。用这种方式存储简单的数据类型比如 Float64 叫做 boxing,提取存储的原始数据叫做 unboxing。我们提升过的用 Julia 计算 2 的平方根和用 C 语言读取结果的样本程序如下所示:

    jl_value_t *ret = jl_eval_string("sqrt(2.0)");

    if (jl_is_float64(ret)) {
        double ret_unboxed = jl_unbox_float64(ret);
        printf("sqrt(2.0) in C: %e \n", ret_unboxed);
    }

为了检查 ret 是否是一个指定的 Julia 类型,我们可以使用 jl_is_... 函数。通过将 typeof(sqrt(2.0)) 输入进 Julia shell,我们可以看到返回类型为 Float64(C 中的 double)。为了将装好的 Julia 的值转换成 C 语言中的 double,jl_unbox_float64 功能在上面的代码片段中被使用。

相应的 jl_box_... 功能被用来用另一种方式转换:

    jl_value_t *a = jl_box_float64(3.0);
    jl_value_t *b = jl_box_float32(3.0f);
    jl_value_t *c = jl_box_int32(3);

正如我们下面将看到的,调用带有指定参数的 Julia 函数装箱(boxing)是需要的。

调用 Julia 的函数

jl_eval_string 允许 C 语言来获得 Julia 表达式的结果时,它不允许传递在 C 中计算的参数到 Julia 中。对于这个,你需要直接调用 Julia 函数,使用 jl_call:

    jl_function_t *func = jl_get_function(jl_base_module, "sqrt");
    jl_value_t *argument = jl_box_float64(2.0);
    jl_value_t *ret = jl_call1(func, argument);

在第一步中,Julia 函数 sqrt 的处理通过调用 jl_get_function 检索。第一个传递给 jl_get_function 的参数是一个指向 Base 模块的指针,在那里 sqrt 被定义。然后,double 值使用 jl_box_float64 封装。最后,在最后一步中,函数使用 jl_call1 被调用。jl_call0,jl_call2jl_call3 函数也存在,来方便地处理不同参数的数量。为了传递更多的参数,使用 jl_call:

    jl_value_t *jl_call(jl_function_t *f, jl_value_t **args, int32_t nargs)

第二个参数 args 是一个 jl_value_t* 参数的数组而且 nargs 是参数的数字。

内存管理

正如我们已经看见的,Julia 对象作为指针在 C 中呈现。这引出了一个问题,谁应该释放这些对象。

通常情况下,Julia 对象通过一个 garbage collector(GC) 来释放,但是 GC 不会自动地知道我们在 C 中有一个对 Julia 值的引用。这意味着 GC 可以释放指针,使指针无效。

GC 仅能在 Julia 对象被分配时运行。像 jl_box_float64 的调用运行分配,而且分配也能在任何运行 Julia 代码的指针中发生。在 jl_... 调用间使用指针通常是安全的。但是为了确认值能使 jl_... 调用生存,我们不得不告诉 Julia 我们有一个对 Julia 值的引用。这可以使用 JL_GC_PUSH 宏指令完成。This can be done using the JL_GC_PUSH macros:

    jl_value_t *ret = jl_eval_string("sqrt(2.0)");
    JL_GC_PUSH1(&ret);
    // Do something with ret
    JL_GC_POP();

JL_GC_POP 调用释放了之前 JL_GC_PUSH 建立的引用。注意到 JL_GC_PUSH 在栈上工作,所以它在栈帧被销毁之前必须准确地和 JL_GC_POP 成组。

几个 Julia 值能使用 JL_GC_PUSH2JL_GC_PUSH3,和 JL_GC_PUSH4 宏指令被立刻 push。为了 push 一个 Julia 值的数组我们可以使用 JL_GC_PUSHARGS 宏指令,它能向以下那样使用:cro, which can be used as follows:

    jl_value_t **args;
    JL_GC_PUSHARGS(args, 2); // args can now hold 2 `jl_value_t*` objects
    args[0] = some_value;
    args[1] = some_other_value;
    // Do something with args (e.g. call jl_... functions)
    JL_GC_POP();

控制垃圾回收

有一些函数来控制 GC。在普通的使用案例中,这些不应该是必需的。

void jl_gc_collect() Force a GC run
void jl_gc_disable() Disable the GC
void jl_gc_enable() Enable the GC

处理数组

Julia 和 C 能不用复制而分享数组数据。下一个例子将展示这是如此工作的。

Julia 数组通过数据类型 jl_array_t* 用 C 语言显示。基本上,jl_array_t 是一个包含以下的结构:

  • 有关数据类型的信息
  • 指向数据块的指针
  • 有关数组大小的信息

为了使事情简单,我们用一个 1D 数组开始。创建一个包含长度为 10 个元素的 Float64 数组通过以下完成:

    jl_value_t* array_type = jl_apply_array_type(jl_float64_type, 1);
    jl_array_t* x          = jl_alloc_array_1d(array_type, 10);

或者,如果你已经分配了数组你能生成一个对数据的简单包装:

double *existingArray = (double*)malloc(sizeof(double)*10);
jl_array_t *x = jl_ptr_to_array_1d(array_type, existingArray, 10, 0);

最后一个参数是一个表明 Julia 是否应该获取数据所有权的布尔值。如果这个参数非零,GC 将在数组不再引用时在数据指针上调用 free

为了获取 x 的数据,我们可以使用 jl_array_data:

    double *xData = (double*)jl_array_data(x);

现在我们可以填写数组:

    for(size_t i=0; i<jl_array_len(x); i++)
        xData[i] = i;

现在让我们调用一个在 x 上运行操作的 Julia 函数:

    jl_function_t *func  = jl_get_function(jl_base_module, "reverse!");
    jl_call1(func, (jl_value_t*)x);

通过打印数组,我们可以核实 x 的元素现在被颠倒了。

访问返回的数组

如果一个 Julia 函数返回一个数组,jl_eval_stringjl_call 的返回值能被转换成一个 jl_array_t*:

    jl_function_t *func  = jl_get_function(jl_base_module, "reverse");
    jl_array_t *y = (jl_array_t*)jl_call1(func, (jl_value_t*)x);

现在 y 的内容能在使用 jl_array_data 前被获取。一如往常,当它在使用中时确保保持对数组的引用。

高维数组

Julia 的多维数组在内存中以列的顺序被存储。这儿是一些创建二维数组和获取属性的代码:

    // Create 2D array of float64 type
    jl_value_t *array_type = jl_apply_array_type(jl_float64_type, 2);
    jl_array_t *x  = jl_alloc_array_2d(array_type, 10, 5);

    // Get array pointer
    double *p = (double*)jl_array_data(x);
    // Get number of dimensions
    int ndims = jl_array_ndims(x);
    // Get the size of the i-th dim
    size_t size0 = jl_array_dim(x,0);
    size_t size1 = jl_array_dim(x,1);

    // Fill array with data
    for(size_t i=0; i<size1; i++)
        for(size_t j=0; j<size0; j++)
            p[j + size0*i] = i + j;

注意到当 Julia 数组使用 1-based 的索引,C 的 API 使用 0-based 的索引(例如在调用 jl_array_dim 时)以作为惯用的 C 代码读取。

异常

Julia 代码能抛出异常。比如,考虑以下:

      jl_eval_string("this_function_does_not_exist()");

这个调用将什么都不做。但是,检查一个异常是否抛出是可能的。

    if (jl_exception_occurred())
        printf("%s \n", jl_typeof_str(jl_exception_occurred()));

如果你用一个支持异常的语言(比如,Python,C#,C++)使用 Julia C API,用一个检查异常是否被抛出的函数包装每一个调用 libjulia 的调用是有道理的,而且它用主语言重新抛出异常。

抛出 Julia 异常

当写一个可调用的 Julia 函数时,验证参数和抛出异常来指出错误是必要的。一个典型的类型检查像这样:

    if (!jl_is_float64(val)) {
        jl_type_error(function_name, (jl_value_t*)jl_float64_type, val);
    }

通常的异常能使用函数来引起:

    void jl_error(const char *str);
    void jl_errorf(const char *fmt, ...);

jl_error 使用一个 C 的字符串,jl_errorfprintf 一样被调用:

    jl_errorf("argument x = %d is too large", x);

在这个例子中 x 被假设为一个整型。

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