【Python】ctypesでC言語ライブラリを呼び出す

ctypesとは

ctypesは、PythonからC言語のライブラリ（DLL/so）を直接呼び出すための標準ライブラリ。外部ライブラリのインストールなしで使える。

低レベルなことやりたいときにモのすごく便利。

import ctypes

基本的な型

ctypes型	C型	サイズ
c_int	int	4 bytes
c_long	long	4/8 bytes
c_float	float	4 bytes
c_double	double	8 bytes
c_char	char	1 byte
c_char_p	char*	ポインタ
c_void_p	void*	ポインタ
c_bool	bool	1 byte

ライブラリの読み込み

import ctypes
import ctypes.util

# Windows
libc = ctypes.CDLL('msvcrt')

# Linux/macOS
libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'))

# 直接パス指定
lib = ctypes.CDLL('/path/to/library.so')
lib = ctypes.CDLL('C:/path/to/library.dll')

関数の呼び出し

基本的な呼び出し

# 引数と戻り値の型を設定
libc.strlen.argtypes = [ctypes.c_char_p]
libc.strlen.restype = ctypes.c_size_t

# 呼び出し（バイト文字列で渡す）
length = libc.strlen(b"Hello World")
print(length)  # 11

数学関数

# sqrt
libm.sqrt.argtypes = [ctypes.c_double]
libm.sqrt.restype = ctypes.c_double
print(libm.sqrt(2.0))  # 1.4142135623730951

# pow
libm.pow.argtypes = [ctypes.c_double, ctypes.c_double]
libm.pow.restype = ctypes.c_double
print(libm.pow(2.0, 10.0))  # 1024.0

構造体

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

# 使用
p = Point(10, 20)
print(f"({p.x}, {p.y})")  # (10, 20)
print(ctypes.sizeof(Point))  # 8

ネストした構造体

class Rectangle(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("top_left", Point),
        ("bottom_right", Point),
    ]

rect = Rectangle(Point(0, 0), Point(100, 50))

配列

# 固定サイズ配列の型を作成
IntArray5 = ctypes.c_int * 5

# 配列を作成
arr = IntArray5(1, 2, 3, 4, 5)
print(list(arr))  # [1, 2, 3, 4, 5]
print(sum(arr))   # 15

配列を含む構造体

class Vector3D(ctypes.Structure):
    _fields_ = [
        ("coords", ctypes.c_double * 3),
    ]

vec = Vector3D((1.0, 2.0, 3.0))

ポインタ

# 値を作成
x = ctypes.c_int(42)

# ポインタを取得
ptr = ctypes.pointer(x)

# ポインタ経由でアクセス
print(ptr.contents.value)  # 42

# 値を変更
ptr.contents.value = 100
print(x.value)  # 100

byref（参照渡し）

# 関数に参照を渡す（高速）
y = ctypes.c_int(0)
some_c_func(ctypes.byref(y))

コールバック関数

Pythonの関数をCに渡す：

# 関数型を定義
COMPARE_FUNC = ctypes.CFUNCTYPE(
    ctypes.c_int,      # 戻り値
    ctypes.c_void_p,   # 引数1
    ctypes.c_void_p    # 引数2
)

# Python関数
def py_compare(a, b):
    a_val = ctypes.cast(a, ctypes.POINTER(ctypes.c_int)).contents.value
    b_val = ctypes.cast(b, ctypes.POINTER(ctypes.c_int)).contents.value
    return a_val - b_val

# コールバックを作成
callback = COMPARE_FUNC(py_compare)

# qsortで使用
arr = (ctypes.c_int * 5)(5, 2, 8, 1, 9)
libc.qsort(arr, 5, ctypes.sizeof(ctypes.c_int), callback)
print(list(arr))  # [1, 2, 5, 8, 9]

Union（共用体）

同じメモリを別の型として解釈：

class IntOrFloat(ctypes.Union):
    _fields_ = [
        ("i", ctypes.c_int),
        ("f", ctypes.c_float),
    ]

u = IntOrFloat()
u.i = 1234567890
print(u.f)  # 同じビットをfloatとして解釈

実践例：自作Cライブラリ

1. Cコード

// mylib.c
#include <math.h>

double circle_area(double radius) {
    return M_PI * radius * radius;
}

typedef struct {
    double x, y;
} Point;

double distance(Point* p1, Point* p2) {
    double dx = p2->x - p1->x;
    double dy = p2->y - p1->y;
    return sqrt(dx*dx + dy*dy);
}

2. コンパイル

# Linux
gcc -shared -fPIC -o mylib.so mylib.c -lm

# Windows
cl /LD mylib.c

# macOS
gcc -shared -o mylib.dylib mylib.c

3. Python から呼び出し

import ctypes

# ライブラリ読み込み
lib = ctypes.CDLL('./mylib.so')

# circle_area
lib.circle_area.argtypes = [ctypes.c_double]
lib.circle_area.restype = ctypes.c_double
print(lib.circle_area(5.0))  # 78.53981633974483

# 構造体定義
class Point(ctypes.Structure):
    _fields_ = [("x", ctypes.c_double), ("y", ctypes.c_double)]

# distance
lib.distance.argtypes = [ctypes.POINTER(Point), ctypes.POINTER(Point)]
lib.distance.restype = ctypes.c_double

p1 = Point(0.0, 0.0)
p2 = Point(3.0, 4.0)
print(lib.distance(ctypes.byref(p1), ctypes.byref(p2)))  # 5.0

エラーハンドリング

# Cのerrnoを取得
libc = ctypes.CDLL(ctypes.util.find_library('c'), use_errno=True)

# Windowsの場合
kernel32 = ctypes.WinDLL('kernel32', use_last_error=True)
error = ctypes.get_last_error()

注意点

1. 型の一致 - 引数と戻り値の型を正確に設定
2. メモリ管理 - Pythonのオブジェクトがガベージコレクションされないよう注意
3. 文字列 - Cにはバイト文字列（b"..."）で渡す
4. 32bit/64bit - ポインタサイズが異なる

まとめ

用途	方法
ライブラリ読み込み	ctypes.CDLL()
型設定	argtypes, restype
構造体	ctypes.Structure
配列	c_type * n
ポインタ	pointer(), byref()
コールバック	CFUNCTYPE()

ctypesを使えば、高速なCライブラリをPythonから簡単に呼び出せます！