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11.2 通过PyPI发布使用CMake/pybind11构建的C++/Python项目

NOTE:此示例代码可以在 https://github.com/dev-cafe/cmake-cookbook/tree/v1.0/chapter-11/recipe-02 中找到。该示例在CMake 3.11版(或更高版本)中是有效的，并且已经在GNU/Linux、macOS和Windows上进行过测试。

本示例中，我们将以第9章第5节的代码的pybind11为例，为其添加相关的安装目标和pip打包信息，并将项目上传到PyPI。我们要实现一个可以使用pip安装，并运行CMake从而获取底层pybind11依赖项的项目。

准备工作

要通过PyPI分发包的话，需要一个https://pypi.org 帐户。当然，也可以先从本地路径进行安装练习。

TIPS:建议使用Pipenv (https://docs.pipenv.org )或虚拟环境(https://virtualenv.pypa )安装这个包和其他的Python包。

我们基于第9章第5节的项目，它包含一个主CMakeLists.txt文件和一个account/CMakeLists.txt文件，配置帐户示例目标时，使用如下的项目树：

.
├── account
│    ├── account.cpp
│    ├── account.hpp
│    ├── CMakeLists.txt
│    s└── test.py
└── CMakeLists.txt

示例中，account.cpp, account.hpp和test.py没有任何变化。修改account/CMakeLists.txt，并为pip添加几个文件，以便能够构建安装包。为此，需要根目录中的另外三个文件：README.rst，MANIFEST.in和setup.py。

README.rst中包含关于项目的s文档：

Example project
===============

Project description in here ...

MANIFEST.in列出了需要安装的Python模块：

include README.rst CMakeLists.txt
recursive-include account *.cpp *.hpp CMakeLists.txt

最后，setup.py包含构建指令和安装项目的说明：

import distutils.command.build as _build
import os
import sys
from distutils import spawn
from distutils.sysconfig import get_python_lib
from setuptools import setup


def extend_build():
  class build(_build.build):
    def run(self):
      cwd = os.getcwd()
      if spawn.find_executable('cmake') is None:
        sys.stderr.write("CMake is required to build this package.\n")
        sys.exit(-1)
        _source_dir = os.path.split(__file__)[0]
        _build_dir = os.path.join(_source_dir, 'build_setup_py')
        _prefix = get_python_lib()
        try:
          cmake_configure_command = [
              'cmake',
              '-H{0}'.format(_source_dir),
              '-B{0}'.format(_build_dir),
              '-DCMAKE_INSTALL_PREFIX={0}'.format(_prefix),
          ]
          _generator = os.getenv('CMAKE_GENERATOR')
          if _generator is not None:
            cmake_configure_command.append('-
                                          G{0}'.format(_generator))
          spawn.spawn(cmake_configure_command)
          spawn.spawn(
                ['cmake', '--build', _build_dir, '--target', 'install'])
          os.chdir(cwd)
        except spawn.DistutilsExecError:
          sys.stderr.write("Error while building with CMake\n")
          sys.exit(-1)
          _build.build.run(self)
  return build

_here = os.path.abspath(os.path.dirname(__file__))

if sys.version_info[0] < 3:
  with open(os.path.join(_here, 'README.rst')) as f:
    long_description = f.read()
else:
  with open(os.path.join(_here, 'README.rst'), encoding='utf-8') as f:
    long_description = f.read()

_this_package = 'account'

version = {}
with open(os.path.join(_here, _this_package, 'version.py')) as f:
  exec(f.read(), version)
  
setup(
    name=_this_package,
    version=version['__version__'],
    description='Description in here.',
    long_description=long_description,
    author='Bruce Wayne',
    author_email='bruce.wayne@example.com',
    url='http://example.com',
    license='MIT',
    packages=[_this_package],
    include_package_data=True,
    classifiers=[
        'Development Status :: 3 - Alpha',
        'Intended Audience :: Science/Research',
        'Programming Language :: Python :: 2.7',
        'Programming Language :: Python :: 3.6'
    ],
    cmdclass={'build': extend_build()})

account子目录中放置一个__init__.py脚本：

from .version import __version__
from .account import Account
__all__ = [
  '__version__',
  'Account',
]

再放一个version.py脚本：

__version__ = '0.0.0'

项目的文件结构如下：

.
├── account
│    ├── account.cpp
│    ├── account.hpp
│    ├── CMakeLists.txt
│    ├── __init__.py
│    ├── test.py
│    └── version.py
├── CMakeLists.txt
├── MANIFEST.in
├── README.rst
└── setup.py

具体实施

本示例基于第9章第5节项目的基础上。

首先，修改account/CMakeLists.txt，添加安装目标：

install(
  TARGETS
  	account
  LIBRARY
  	DESTINATION account
  )

安装目标时，README.rst, MANIFEST.in，setup.py、__init__.py和version.py将放置在对应的位置上，我们准备使用pybind11测试安装过程：

  1. 为此，在某处创建一个新目录，我们将在那里测试安装。

  2. 在创建的目录中，从本地路径运行pipenv install。调整本地路径，指向setup.py的目录：

    $ pipenv install /path/to/cxx-example

  3. 在Pipenv环境中打开一个Python shell：

    $ pipenv run python

  4. Python shell中，可以测试我们的CMake包：

    >>> from account import Account
>>> account1 = Account()
>>> account1.deposit(100.0)
>>> account1.deposit(100.0)
>>> account1.withdraw(50.0)
>>> print(account1.get_balance())
150.0

工作原理

${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}目录包含编译后的account.cpython-36m-x86_64-linux-gnu.so，这个动态库就是使用pybind11构建Python模块。但是请注意，它的名称取决于操作系统(本例中是64位Linux)和Python环境(本例中是Python 3.6)。setup.pys脚本将运行CMake，并根据所选的Python环境(系统Python，Pipenv或虚拟环境)将Python模块安装到正确的路径下。

不过，在安装模块时面临两个挑战：

  • 名称可变
  • CMake外部设置路径

可以使用下面的安装目标来解决这个问题，将在setup.py中定义安装目标位置：

install(
  TARGETS
  	account
  LIBRARY
  	DESTINATION account
  )

指示CMake将编译好的Python模块文件安装到相对于安装目标位置的account子目录中(第10章中详细讨论了如何设置目标位置)。setup.py将通过设置CMAKE_INSTALL_PREFIX来设置安装位置，并根据Python环境指向正确的路径。

让我们看看setup.py如何实现的。自下而上来看一下脚本：

setup(
  name=_this_package,
  version=version['__version__'],
  description='Description in here.',
  long_description=long_description,
  author='Bruce Wayne',
  author_email='bruce.wayne@example.com',
  url='http://example.com',
  license='MIT',
  packages=[_this_package],
  include_package_data=True,
  classifiers=[
    'Development Status :: 3 - Alpha',
    'Intended Audience :: Science/Research',
    'Programming Language :: Python :: 2.7',
    'Programming Language :: Python :: 3.6'
  ],
  cmdclass={'build': extend_build()})

该脚本包含许多占位符，还包含一些自解释的语句。这里我们将重点介绍最后一个指令cmdclass。这个指令中，通过自定义extend_build函数扩展默认的构建步骤。这个默认的构建步骤如下：

def extend_build():
  class build(_build.build):
    def run(self):
      cwd = os.getcwd()
      if spawn.find_executable('cmake') is None:
        sys.stderr.write("CMake is required to build this package.\n")
        sys.exit(-1)
        _source_dir = os.path.split(__file__)[0]
        _build_dir = os.path.join(_source_dir, 'build_setup_py')
        _prefix = get_python_lib()
        try:
          cmake_configure_command = [
              'cmake',
              '-H{0}'.format(_source_dir),
              '-B{0}'.format(_build_dir),
              '-DCMAKE_INSTALL_PREFIX={0}'.format(_prefix),
          ]
          _generator = os.getenv('CMAKE_GENERATOR')
          if _generator is not None:
            cmake_configure_command.append('-
                                          G{0}'.format(_generator))
          spawn.spawn(cmake_configure_command)
          spawn.spawn(
                ['cmake', '--build', _build_dir, '--target', 'install'])
          os.chdir(cwd)
        except spawn.DistutilsExecError:
          sys.stderr.write("Error while building with CMake\n")
          sys.exit(-1)
          _build.build.run(self)
  return build

首先，检查CMake是否可用。函数执行了两个CMake命令：

          cmake_configure_command = [
              'cmake',
              '-H{0}'.format(_source_dir),
              '-B{0}'.format(_build_dir),
              '-DCMAKE_INSTALL_PREFIX={0}'.format(_prefix),
          ]
          _generator = os.getenv('CMAKE_GENERATOR')
          if _generator is not None:
            cmake_configure_command.append('-
                                          G{0}'.format(_generator))
          spawn.spawn(cmake_configure_command)
          spawn.spawn(
                ['cmake', '--build', _build_dir, '--target', 'install'])

我们可以设置CMAKE_GENERATOR环境变量来修改生成器。安装目录如下方式设置：

_prefix = get_python_lib()

从安装目录的根目录下，通过distutils.sysconfig导入get_python_lib函数。cmake --build _build_dir --target install命令以一种可移植的方式，构建和安装我们的项目。使用_build_dir而不使用build的原因是，在测试本地安装时，项目可能已经包含了一个build目录，这将与新安装过程发生冲突。对于已经上传到PyPI的包，构建目录的名称并不会带来什么影响。

更多信息

现在我们已经测试了本地安装，准备将包上传到PyPI。在此之前，请确保setup.py中的元数据(例如：项目名称、联系方式和许可协议信息)是合理的，并且项目名称没有与PyPI已存在项目重名。在上传到https://pypi.org 之前，先测试PyPI(https://test.pypi.org )上，进行上载和下载的尝试。

上传之前，我们需要在主目录中创建一个名为.pypirc的文件，其中包含(替换成自己的yourusername和yourpassword )：

[distutils]account
index-servers=
  pypi
  pypitest

[pypi]
username = yourusername
password = yourpassword

[pypitest]
repository = https://test.pypi.org/legacy/
username = yourusername
password = yourpassword

我们将分两步进行。首先，我们在本地创建Release包：

$ python setup.py sdist

第二步中，使用Twine上传生成的分布数据(我们将Twine安装到本地的Pipenv中):

$ pipenv run twine upload dist/* -r pypitest

Uploading distributions to https://test.pypi.org/legacy/
Uploading yourpackage-0.0.0.tar.gz

下一步，从测试实例到，将包安装到一个隔离的环境中：

$ pipenv shell
$ pip install --index-url https://test.pypi.org/simple/ yourpackage

当一切正常，就将我们的包上传到了PyPI：

$ pipenv run twine upload dist/* -r pypi