cpp转python Nanobind 实践加速轻量版 pythonbind11

主要是尝试一下把c++这边的函数封装打包给python用，选择nanobind的原因是：1. 优化速度快，2. 生成二进制包小，不过pythonbind11是更为广泛知道的，nanobind也是pythonbind11作者后续做的，可以查看作者写的

总结一下就是：nanobind 同样是一个用于创建 C++ 和 Python 之间绑定的工具，它的目标是简化和加速绑定生成过程。与 pybind11 相比，nanobind 的不同之处在于它专注于较小的 C++ 子集，提供更高效的内部数据结构和性能优化，并引入了一些便利性和质量改进的新功能。

参考资料：

official code:
official docs:
非常简单的示例：
本篇博文的示例代码： (which 耗时小张同学 3小时找bug)

1. 安装 Install & 查询 Find

注意不同的安装方式在 cmakelist.txt 的写法会不一样，下面会分别举例：

# 1. pip install
python -m pip install nanobind
# 2. conda install
conda install -c conda-forge nanobind
# 3. from source
git submodule add https://github.com/wjakob/nanobind ext/nanobind
git submodule update --init --recursive

那么对应如果是 1/2 方案则需要走到Python executable去寻找

# Detect the installed nanobind package and import it into CMake
execute_process(
  COMMAND "${Python_EXECUTABLE}" -m nanobind --cmake_dir
  OUTPUT_STRIP_TRAILING_WHITESPACE OUTPUT_VARIABLE NB_DIR)
list(APPEND CMAKE_PREFIX_PATH "${NB_DIR}")
find_package(nanobind CONFIG REQUIRED)

第三方案则是直接定位到那个clone下来的repo

add_subdirectory(${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/ext/nanobind)

2. 初步尝试

此次直接copy的官方文档的方案进行快速尝试

两个文件即可：

新建一个my_ext.cpp

#include <nanobind/nanobind.h>

int add(int a, int b) { return a + b; }

NB_MODULE(my_ext, m) {
    m.def("add", &add);
}

新建一个CMakeLists.txt （注意因为我直接pip install的所以选用的是方案一进行的nanobind的查找）

project(my_project) # Replace 'my_project' with the name of your project
cmake_minimum_required(VERSION 3.15...3.27)
find_package(Python 3.8 COMPONENTS Interpreter Development.Module REQUIRED)

if (NOT CMAKE_BUILD_TYPE AND NOT CMAKE_CONFIGURATION_TYPES)
  set(CMAKE_BUILD_TYPE Release CACHE STRING "Choose the type of build." FORCE)
  set_property(CACHE CMAKE_BUILD_TYPE PROPERTY STRINGS "Debug" "Release" "MinSizeRel" "RelWithDebInfo")
endif()

# Detect the installed nanobind package and import it into CMake
execute_process(
  COMMAND "${Python_EXECUTABLE}" -m nanobind --cmake_dir
  OUTPUT_STRIP_TRAILING_WHITESPACE OUTPUT_VARIABLE NB_DIR)
list(APPEND CMAKE_PREFIX_PATH "${NB_DIR}")
find_package(nanobind CONFIG REQUIRED)

nanobind_add_module(my_ext my_ext.cpp)

搞定，就在此文件夹目录下终端输入：
```
cmake -S . -B build
cmake --build build
```

运行

cd build
python3

Python 3.11.1 (main, Dec 23 2022, 09:28:24) [Clang 14.0.0 (clang-1400.0.29.202)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
import my_ext
my_ext.add(1, 2)
3

至此你完成了一个cpp转python的（感觉这里好像没啥好解释的，看起来就非常易懂，但是！自己操作起来就是另一回事了欢迎尝试：

3. 复杂尝试

如果感兴趣可以自己先开始干，这是Daniel在ufomap里写的一个timer.hpp文件 [请遵循许可证使用]，内含一个巨好用的 Timer 类，一应俱全，正常C++的使用方式是

#include "timing.hpp"

Timing timing;
timing.start("Total");
timing[0].start("One Scan Cost");
// do something.
std::cout<<timing[0].lastSeconds()<<std::endl;
timing[0].stop();

timing[6].start("Write");
// do write file function
timing[6].stop();
timing.print("MyTest" /*title*/, true /*color*/, true /*bold*/);

那么我们同样想在python里使用这个类，需要用pythonbind11或者nanobind进行搭桥，假设我们python的使用要求如下：

import dztimer
from time import sleep

if __name__ == '__main__':
    timer = dztimer.Timing()
    print(timer)
    timer.start("Total")
    timer[0].start("One Scan Cost")
    for i in range(5):
        sleep(0.05 + i * 0.01)
    timer[0].stop()
    
    for i in range(5):
        timer[1].start("Second Scan Cost")
        sleep(0.08 + i * 0.01)
        timer[1].stop()
    timer.print(title="MyTest", random_colors=True, bold=True)

—— 华丽的分割线 ——

以下为答案部分（不唯一）

#include "timer.hpp"
#include "nanobind/nanobind.h"
#include <nanobind/stl/string.h>

NB_MODULE(dztimer, m) {
    nanobind::class_<Timer>(m, "Timer")
        .def("start", static_cast<void (Timer::*)()>(&Timer::start))
        .def("stop", &Timer::stop);

    nanobind::class_<Timing, Timer>(m, "Timing")
        .def(nanobind::init<>())
        .def(nanobind::init<const std::string &>())
        .def("start", static_cast<void (Timing::*)(const std::string &)>(&Timing::start))
        .def("start", static_cast<void (Timing::*)(const std::string &, const std::string &)>(&Timing::start))
        .def("__getitem__", static_cast<Timing& (Timing::*)(std::size_t)>(&Timing::operator[]), nanobind::rv_policy::reference)
        .def("print", &Timing::print, nanobind::arg("title")="Default", nanobind::arg("random_colors")=false, nanobind::arg("bold")=false, 
             nanobind::arg("group_colors_level")=std::numeric_limits<std::size_t>::max(), nanobind::arg("precision")=4);
}

接下来开始从小张遇到的一个个bug开始讲起：

Class parent children

如果你要使用的对象是从父类里继承的，那么！分类也要在nanobind里申明！！这就是为什么小张同学直接call stop的时候说找不到，所以需要也把父类expose出来

string

#include <nanobind/stl/string.h>

这个是报错，然后一脸懵逼直到chatgpt也无能为力让我试试最简单的例子，也就是print hello 才发现原来是…. 头文件没加，也就是说如果你的输入参数有std::string 类型你应该要带上这个头文件不然会运行报错如下：

Invoked with types: nanobind_example.Timer, str

然而还是自己看文档发现不同无意看到想着加一个试一下然后就好了…

更多std::的其他函数可能也有这个需求可以看官方文档的这个include 获取：

[] 操作符重载

其实其他的都有唯独这个没有，后面才知道原来不需要在python里重载这个而是用get_item去做这件事，对应的issue还是从pythonbind11里找到解答的：

所以最后才写成了

.def("__getitem__", static_cast<Timing& (Timing::*)(std::size_t)>(&Timing::operator[]), nanobind::rv_policy::reference)

Ownership

也就是getitem的时候之前直接这样写的：

.def("__getitem__", static_cast<Timing& (Timing::*)(std::size_t)>(&Timing::operator[]))

but 不报错但是结果是错的，也只能给出Total的结果，所以很难找到原因，只能求助chatgpt，然后给了一个不存在的方案但是灵机一动搜一下最后的nanobind::return_value_policy::reference refernce，发现其实差一点点他就对了（可能是因为pythonbind11训练样本更多吧

.def("__getitem__", static_cast<Timing& (Timing::*)(std::size_t)>(&Timing::operator[]), nanobind::return_value_policy::reference)

也就是在nanobind的，提到了类似的：**

Data data; // This is a global variable

m.def("get_data", []{ return &data; }, nb::rv_policy::reference)

所以一修改哦吼就好了！

4. 本地安装与本地上传 pip

本地的话，建议看一下，以便漏掉了某个环节

首先是本地可能需要venv去隔离开环境，比如提示我先安装这个py3.8环境：

sudo apt install python3.8-venv

然后在对应 dztimer 文件目录下运行：

python3 -m pip install --upgrade build
python3 -m build

打印信息如下，也就是你得到了一个dist文件夹下有库的二进制包了

接下来是了解怎么从本地push上去。管理pip install的是pypi这个组织，然后旗下可以先走

步骤是：1. 注册账号，2. 验证邮箱，3. 转到创建API，4. 设置为整个账户，5. 保存到本机上方便上传

接下来，我们需要上传我们的release。为此，我们必须使用上传工具来上传我们的包。PyPI 官方上传工具是twine，所以让我们安装 twine 并在该dist/目录下上传我们的发行版档案。

拿到API token后 set up your$HOME/.pypirc file like this:

[testpypi]
  username = __token__
  password = pypi-AgENd???

然后文件目录下终端输入：

python3 -m pip install --upgrade twine
python3 -m twine upload --repository testpypi dist/*

然后就是提交上去啦如下就可以看到公开的一个link

现在可以换个环境下载一下这个包进行使用：

python3 -m pip install --index-url https://test.pypi.org/simple/ --no-deps dztimer

但是需要注意的是你可以看到编译的只有当前环境的py38和 manylinux，所以还需要走到下一步也就是使用github action的功能来对所有系统所有版本进行编译并上传

5. 自动提交到pip库内

这样的话你的包就可以直接pip install 了！想想都觉得成就感（当然是有意义的哈别push了一堆example hahaha）【】

但是通常来说我们会使用github去自动完成这个步骤，那么需要了解：

github repo下的
github action的工作流程

- name: Publish package to TestPyPI
  uses: pypa/gh-action-pypi-publish@release/v1
  with:
    password: ${{ secrets.TEST_PYPI_API_TOKEN }}
    repository-url: https://test.pypi.org/legacy/

example

主要注意的是多平台的支持就需要满足很多coding的严格限制，比如写这篇的时候 ubuntu迅速通过并push 然而多平台 window macos一直报错

C++版本要约束好在CMakeLists.txt，特别是使用的库是17的新功能
头文件不要拉，比如 array 头文件在ubuntu落了不报错正常运行但是其他两个就不行
模板类的一系列都要指定好不能想着让系统自己figure out

以上，更多可以看这个repo的心路历程… commit都没删

TestPyPI是一个PyPI的分支类似于大家专门先在这里测试一下然后确认好了再走到PyPI，两者唯一的区别就是你token给哪个平台的其余都是一模一样的操作

finally 欢迎大家star 并尝试 python dztimer 希望是一个好用的timing方案