使用带多维数组的 cffi 从 python 调用 fortran dll

Question

我使用的 dll 包含微分方程求解器以及其他有用的数学工具。不幸的是，这个 dll 是用 Fortran 语言编写的。我的程序是用 python 3.7 编写的，我使用 spyder 作为 IDE。

我成功地从 dll 中调用了简单的函数。但是，我似乎无法让需要多维数组的函数工作。

这是我尝试调用的函数的在线文档： https://www.nag.co.uk/numeric/fl/nagdoc_fl26/html/f01/f01adf.html

如果我执行以下代码，内核会在没有错误消息的情况下死机：

import numpy as np
import cffi as cf

ffi=cf.FFI()
lib=ffi.dlopen("C:\Windows\SysWOW64\DLL20DDS")
ffi.cdef("""void F01ADF (const int *n, double** a, const int *lda, int *ifail);""")

#Integer
nx = 4
n = ffi.new('const int*', nx)
lda = nx + 1
lda = ffi.new('const int*', lda)
ifail = 0
ifail = ffi.new('int*', ifail)

#matrix to be inversed

ax1 = np.array([5,7,6,5],dtype = float, order = 'F')
ax2 = np.array([7,10,8,7],dtype = float, order = 'F')
ax3 = np.array([6,8,10,9],dtype = float, order = 'F')
ax4 = np.array([5,7,9,10], dtype = float, order = 'F')
ax5 = np.array([0,0,0,0], dtype = float, order = 'F')

ax = (ax1,ax2,ax3,ax4,ax5)

#Array
zx = np.zeros(nx, dtype = float, order = 'F')

a = ffi.cast("double** ", zx.__array_interface__['data'][0])
for i in range(lda[0]):
    a[i] = ffi.cast("double* ", ax[i].__array_interface__['data'][0])

lib.F01ADF(n, a, lda, ifail)

由于函数与一维数组一起工作，我假设多维数组是问题所在。

非常感谢任何形式的帮助，蒂洛

Answer 1

无法访问您引用的 dll 会使给出明确的答案变得复杂，但是，dll 的文档和提供的 Python 脚本可能足以诊断问题。您的示例中至少有两个问题：

C头接口：

您的文档 link 清楚地说明了函数的 C 头文件接口应该是什么样子。我不太精通C，Python的cffi或cdef，但是你的函数接口中a的参数声明似乎是错误的。函数接口中的 double** a（指向 double 的指针）最有可能是 double a[] 或 double* a（指向 double 的指针），如文档中所述。
用 Fortran 顺序定义二维 Numpy 数组：
1. 请注意，您的 Numpy 数组 ax1..5 是一维数组，因为数组只有一维 order='F' 和 order='C' 在内存布局和访问方面是等效的。因此，在此处指定 order='F' 可能不会产生预期的效果（Fortran 对多维数组使用列优先排序）。
2. 变量 ax 是 Numpy 数组的元组，而不是 2d Numpy 数组，因此在内存中的表示形式非常不同（这在将数据传递给 Fortran dll 时至关重要）二维数组。

寻求解决方案

我的第一步是更正 C 头文件接口。接下来，我将使用 Fortran 排序将 ax 声明为具有二维的适当 Numpy 数组，然后将其转换为适当的数据类型，如本例所示：

#file: test.py
import numpy as np
import cffi as cf

ffi=cf.FFI()
lib=ffi.dlopen("./f01adf.dll")
ffi.cdef("""void f01adf_ (const int *n, double a[], const int *lda, int *ifail);""")

# integers
nx = 4
n = ffi.new('const int*', nx)
lda = nx + 1
lda = ffi.new('const int*', lda)
ifail = 0
ifail = ffi.new('int*', ifail)

# matrix to be inversed
ax = np.array([[5,  7,  6,  5],
               [7, 10,  8,  7],
               [6,  8, 10,  9],
               [5,  7,  9, 10],
               [0,  0,  0,  0]], dtype=float, order='F')

#  operation on matrix using dll
print("BEFORE:")
print(ax.astype(int))

a = ffi.cast("double* ", ax.__array_interface__['data'][0])
lib.f01adf_(n, a, lda, ifail)

print("\nAFTER:")
print(ax.astype(int))

出于测试目的，请考虑使用以下具有 the same interface as your actual dll 的 Fortran 子例程来替代您的 dll。它只会将 10**(i-1) 添加到输入数组 a 的第 i 列。这将允许检查 Python 和 Fortran 之间的接口是否按预期工作，以及数组 a 的预期元素是否在以下操作：

!file: f01adf.f90
Subroutine f01adf(n, a, lda, ifail)
  Integer, Intent (In) :: n, lda
  Integer, Intent (Inout) :: ifail
  Real(Kind(1.d0)), Intent (Inout) :: a(lda,*)

  Integer :: i

  print *, "Fortran DLL says: Hello world!"

  If ((n < 1) .or. (lda < n+1)) Then
    ! Input variables not conforming to requirements
    ifail = 2

  Else
    ! Input variables acceptable
    ifail = 0

    ! add 10**(i-1) to the i'th column of 2d array 'a'
    Do i = 1, n
      a(:, i) = a(:, i) + 10**(i-1)
    End Do

  End If

End Subroutine

编译 Fortran 代码，然后运行建议的 Python 脚本，得到以下输出：

> gfortran -O3 -shared -fPIC -fcheck=all -Wall -Wextra -std=f2008 -o f01adf.dll f01adf.f90
> python test.py
  BEFORE:
  [[ 5  7  6  5]
  [ 7 10  8  7]
  [ 6  8 10  9]
  [ 5  7  9 10]
  [ 0  0  0  0]]

  Fortran DLL says: Hello world!

  AFTER:
  [[   6   17  106 1005]
  [   8   20  108 1007]
  [   7   18  110 1009]
  [   6   17  109 1010]
  [   1   10  100 1000]]

使用带多维数组的 cffi 从 python 调用 fortran dll

calling a fortran dll from python using cffi with multidimensional arrays

dll

fortran

python-cffi

寻求解决方案