共有メモリ バッファーを使用して内部状態を格納する C ライブラリの Python バインディングを作成しています。これらのバッファーの割り当てと解放は、ライブラリ自体によって Python の外部で行われますが、Python 内からラップされたコンストラクター/デストラクター関数を呼び出すことで、これが発生するタイミングを間接的に制御できます。いくつかのバッファーを Python に公開して、それらから読み取ることができるようにしたいと思います。場合によっては、それらに値をプッシュします。パフォーマンスとメモリ使用量は重要な問題であるため、可能な限りデータのコピーを避けたいと考えています。
私の現在のアプローチは、ctypes ポインターを直接表示する numpy 配列を作成することです。
import numpy as np
import ctypes as C
libc = C.CDLL('libc.so.6')
class MyWrapper(object):
def __init__(self, n=10):
# buffer allocated by external library
addr = libc.malloc(C.sizeof(C.c_int) * n)
self._cbuf = (C.c_int * n).from_address(addr)
def __del__(self):
# buffer freed by external library
libc.free(C.addressof(self._cbuf))
self._cbuf = None
@property
def buffer(self):
return np.ctypeslib.as_array(self._cbuf)
これは、コピーを回避するだけでなく、numpy のインデックス作成と代入構文を使用して、それを他の numpy 関数に直接渡すことができることも意味します。
wrap = MyWrapper()
buf = wrap.buffer # buf is now a writeable view of a C-allocated buffer
buf[:] = np.arange(10) # this is pretty cool!
buf[::2] += 10
print(wrap.buffer)
# [10 1 12 3 14 5 16 7 18 9]
ただし、本質的に危険でもあります。
del wrap # free the pointer
print(buf) # this is bad!
# [1852404336 1969367156 538978662 538976288 538976288 538976288
# 1752440867 1763734377 1633820787 8548]
# buf[0] = 99 # uncomment this line if you <3 segfaults
これをより安全にするために、配列の内容を読み書きする前に、基になる C ポインターが解放されているかどうかを確認できる必要があります。これを行う方法についていくつかの考えがあります。
- 1 つの方法は、 の属性
np.ndarrayへの参照を保持するのサブクラスを生成し、基になるメモリへの読み取り/書き込みを行う前かどうかをチェックし、そうである場合は例外を発生させることです。_cbufMyWrapperNone .viewキャストやスライスなどにより、同じバッファに複数のビューを簡単に生成できます。そのため、これらはそれぞれへの参照_cbufとチェックを実行するメソッドを継承する必要があります。これは をオーバーライドすることで実現できると思います__array_finalize__が、正確な方法はわかりません。- 「ポインターチェック」メソッドは、配列の内容を読み書きする操作の前にも呼び出す必要があります。オーバーライドするメソッドの完全なリストを取得するには、numpy の内部構造について十分に知りません。
np.ndarrayこのチェックを実行するサブクラスを実装するにはどうすればよいですか? 誰でもより良いアプローチを提案できますか?
更新:このクラスは、私が望むほとんどのことを行います:
class SafeBufferView(np.ndarray):
def __new__(cls, get_buffer, shape=None, dtype=None):
obj = np.ctypeslib.as_array(get_buffer(), shape).view(cls)
if dtype is not None:
obj.dtype = dtype
obj._get_buffer = get_buffer
return obj
def __array_finalize__(self, obj):
if obj is None: return
self._get_buffer = getattr(obj, "_get_buffer", None)
def __array_prepare__(self, out_arr, context=None):
if not self._get_buffer(): raise Exception("Dangling pointer!")
return out_arr
# this seems very heavy-handed - surely there must be a better way?
def __getattribute__(self, name):
if name not in ["__new__", "__array_finalize__", "__array_prepare__",
"__getattribute__", "_get_buffer"]:
if not self._get_buffer(): raise Exception("Dangling pointer!")
return super(np.ndarray, self).__getattribute__(name)
例えば：
wrap = MyWrapper()
sb = SafeBufferView(lambda: wrap._cbuf)
sb[:] = np.arange(10)
print(repr(sb))
# SafeBufferView([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], dtype=int32)
print(repr(sb[::2]))
# SafeBufferView([0, 2, 4, 6, 8], dtype=int32)
sbv = sb.view(np.double)
print(repr(sbv))
# SafeBufferView([ 2.12199579e-314, 6.36598737e-314, 1.06099790e-313,
# 1.48539705e-313, 1.90979621e-313])
# we have to call the destructor method of `wrap` explicitly - `del wrap` won't
# do anything because `sb` and `sbv` both hold references to `wrap`
wrap.__del__()
print(sb) # Exception: Dangling pointer!
print(sb + 1) # Exception: Dangling pointer!
print(sbv) # Exception: Dangling pointer!
print(np.sum(sb)) # Exception: Dangling pointer!
print(sb.dot(sb)) # Exception: Dangling pointer!
print(np.dot(sb, sb)) # oops...
# -70104698
print(np.extract(np.ones(10), sb))
# array([251019024, 32522, 498870232, 32522, 4, 5,
# 6, 7, 48, 0], dtype=int32)
# np.copyto(sb, np.ones(10, np.int32)) # don't try this at home, kids!
私が見逃した他のエッジケースがあると確信しています。
更新 2: @ivan_pozdeevweakref.proxyが示唆するように、私はをいじりました。いいアイデアですが、残念ながら、numpy 配列でどのように機能するかわかりません。によって返されるnumpy配列へのweakrefを作成しようとすることができます：.buffer
wrap = MyWrapper()
wr = weakref.proxy(wrap.buffer)
print(wr)
# ReferenceError: weakly-referenced object no longer exists
# <weakproxy at 0x7f6fe715efc8 to NoneType at 0x91a870>
np.ndarrayここでの問題は、返されたインスタンスがwrap.bufferすぐに範囲外になることだと思います。回避策は、クラスが初期化時に配列をインスタンス化し、それへの強い参照を保持し、ゲッターが配列に.buffer()a を返すようにすることです。weakref.proxy
class MyWrapper2(object):
def __init__(self, n=10):
# buffer allocated by external library
addr = libc.malloc(C.sizeof(C.c_int) * n)
self._cbuf = (C.c_int * n).from_address(addr)
self._buffer = np.ctypeslib.as_array(self._cbuf)
def __del__(self):
# buffer freed by external library
libc.free(C.addressof(self._cbuf))
self._cbuf = None
self._buffer = None
@property
def buffer(self):
return weakref.proxy(self._buffer)
ただし、バッファがまだ割り当てられている間に同じ配列に 2 番目のビューを作成すると、これが壊れます。
wrap2 = MyWrapper2()
buf = wrap2.buffer
buf[:] = np.arange(10)
buf2 = buf[:] # create a second view onto the contents of buf
print(repr(buf))
# <weakproxy at 0x7fec3e709b50 to numpy.ndarray at 0x210ac80>
print(repr(buf2))
# array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], dtype=int32)
wrap2.__del__()
print(buf2[:]) # this is bad
# [1291716568 32748 1291716568 32748 0 0 0
# 0 48 0]
print(buf[:]) # WTF?!
# [34525664 0 0 0 0 0 0 0
# 0 0]
これは深刻に壊れています - を呼び出した後、 numpy 配列ビューであった をwrap2.__del__()読み書きできるだけでなく、読み書きもできます。buf2wrap2._cbufbufwrap2.__del__()wrap2._bufferNone