C 語言嵌入 Python 進階：從記憶體動態載入並編譯執行 Python 程式碼

場景動機

上一篇示範從檔案載入模組。本文解決更靈活的需求：

• Python 程式碼存儲在資料庫、網路下發、加密存儲
• 運行時動態生成程式碼字串
• 避免寫入臨時 .py 檔案

核心 API：Py_CompileString + PyImport_ExecCodeModule

Python 端：分離載入器與業務邏輯

# call.py  (業務邏輯模組)
def test():
    print('hello world')

def add(a, b):
    return a + b

# api.py  (載入器模組)
import io

def load_test():
    with open('call.py', 'r') as fp:
        return fp.read()  # 回傳原始碼字串

C 端：編譯記憶體字串並執行

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <Python.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    Py_Initialize();
    if (!Py_IsInitialized()) return -1;

    PyRun_SimpleString("import sys");
    PyRun_SimpleString("sys.path.append('./')");

    /* 1. 載入 api 模組並呼叫 load_test() 取得原始碼字串 */
    PyObject *pName = PyUnicode_FromString("api");
    PyObject *pModule = PyImport_Import(pName);
    Py_DECREF(pName);
    if (!pModule) { PyErr_Print(); Py_Finalize(); return -1; }

    PyObject *pDict = PyModule_GetDict(pModule);
    PyObject *pFunc = PyDict_GetItemString(pDict, "load_test");
    if (!pFunc || !PyCallable_Check(pFunc)) { Py_DECREF(pModule); Py_Finalize(); return -1; }

    PyObject *pCodeStr = PyObject_CallObject(pFunc, NULL);  // 回傳 Python str 物件
    if (!pCodeStr) { Py_DECREF(pModule); Py_Finalize(); return -1; }

    const char *c_code = PyUnicode_AsUTF8(pCodeStr);  // 轉為 C 字串
    if (!c_code) { Py_DECREF(pCodeStr); Py_DECREF(pModule); Py_Finalize(); return -1; }

    /* 2. 核心步驟：編譯字串為程式碼物件 */
    PyObject *pCodeObj = Py_CompileString(c_code, "", Py_file_input);
    Py_DECREF(pCodeStr);
    if (!pCodeObj) { PyErr_Print(); Py_DECREF(pModule); Py_Finalize(); return -1; }

    /* 3. 執行程式碼物件建立模組 */
    PyObject *pNewModule = PyImport_ExecCodeModule("dynamic_call", pCodeObj);
    Py_DECREF(pCodeObj);
    if (!pNewModule) { PyErr_Print(); Py_DECREF(pModule); Py_Finalize(); return -1; }

    /* 4. 從動態模組取得 add 函數並呼叫 */
    PyObject *pNewDict = PyModule_GetDict(pNewModule);
    pFunc = PyDict_GetItemString(pNewDict, "add");
    if (pFunc && PyCallable_Check(pFunc)) {
        PyObject *pArgs = Py_BuildValue("(ll)", 3, 4);
        PyObject *pResult = PyObject_CallObject(pFunc, pArgs);
        Py_DECREF(pArgs);
        if (pResult) {
            long ret = PyLong_AsLong(pResult);
            printf("動態載入 add(3,4) = %ld\n", ret);
            Py_DECREF(pResult);
        }
    }

    /* 5. 清理 */
    Py_DECREF(pNewModule);
    Py_DECREF(pModule);
    Py_Finalize();
    return 0;
}

關鍵 API 深度解析

進階變體：PyImport_ExecCodeModuleEx 與 PyImport_ExecCodeModuleWithPathnames

• PyImport_ExecCodeModuleEx(name, co, pathname)：指定 __file__ 屬性
• PyImport_ExecCodeModuleWithPathnames(name, co, pathname, cpathname)：同時指定原始碼與編譯後路徑（Python 3.2+）

應用場景擴展

1. 插件系統：主程式掃描目錄，讀取 .py 文字，動態載入為插件模組
2. 腳本沙箱：結合 PyDict_SetItemString 限制可用內建函數/模組
3. 熱重載：檢測檔案修改時間，重新 CompileString + ExecCodeModule 替換 sys.modules 中舊模組
4. 加密腳本：運行時解密到記憶體字串，編譯執行，不落地明文

記憶體管理關鍵點

• Py_CompileString 回傳新引用，用完必須 Py_DECREF
• PyImport_ExecCodeModule 回傳新引用（模組物件）
• PyUnicode_AsUTF8 回傳借用引用指標，不可 Py_DECREF，且生命週期綁定原 PyObject*
• 錯誤路徑上務必釋放所有已獲取的引用

除錯技巧

/* 編譯失敗時獲取詳細錯誤 */
if (!pCodeObj) {
    PyErr_Print();  // 印出語法錯誤、縮排錯誤等
    // 或程式化獲取
    PyObject *ptype, *pvalue, *ptraceback;
    PyErr_Fetch(&ptype, &pvalue, &ptraceback);
    // 解析 pvalue 獲取錯誤訊息字串
}