代码生成codegen

代码生成codegen
该模块提供了从SymPy表达式生成直接可编译代码的功能。该codegen功能是SymPy中代码生成功能的用户界面。下面为可能希望直接使用框架的高级用户提供了一些实现细节。
注意
该codegen调用是不是自动在sympy命名空间，必须首先执行才能使用
Run code block in SymPy Live

from sympy.utilities.codegen import codegen
实现细则Implementation Details
介绍了内部结构中最重要的部分，因为高级用户可能希望直接使用。例如，通过为专用应用程序将代码生成器子类化。优先使用上面记录的codegen（）函数。
基本假设：
• 常规数据结构描述了必须转换为C / Fortran /…代码的示例。此数据结构涵盖以一种或多种支持的语言提供的所有功能。
• CodeGen类的扩展将多个Routine实例转换为可编译代码。每个派生的类都翻译成一种特定的语言。
• 在许多情况下，人们想要一个简单的工作流程。最后一部分中的友函数是Routine / CodeGen之上的简单api。它们更易于使用，但功能不那么强大。
示例
Routine类是codegen模块的重要组成部分。Routine实例将codegen实用程序视为将数学表达式转换为编程语言中的一组语句的工具，负责提取和存储有关如何将数学封装在函数调用中的信息。因此，由Routine构造函数决定示例，将需要哪些参数以及是否应该有返回值。
API参考
用于生成计算sympy表达式的C，C ++，Fortran77，Fortran90，Julia，Rust和Octave / Matlab示例的模块。该模块正在进行中。以下列表中只有带有“ +”字符的里程碑已完成。
— sympy.utilities.codegen与sympy.printing.ccode有何不同？—
以扩展Sympy函数的打印示例的方式来打印完整的可编译代码，这会导致一些无法解决的问题，只有使用专用代码生成器才能解决：
• 对于C语言，需要代码和头文件，而打印示例仅生成一个字符串。可以扩展此代码生成器以支持f2py的.pyf文件。
• SymPy函数与编程技术问题无关，例如输入，输出和输入输出自变量。其它示例是连续或不连续的数组，包括其它库（例如gsl或其它库）的including headers。
• 在一个C示例中评估几个sympy函数，最终在cse示例的帮助下共享共同的中间结果，这是非常有趣的。这不仅仅是打印。
• 从编程的角度来看，应在代码生成器中尽可能多地评估具有常量的表达式。这与打印不同。
-基本假设-
• 常规示例数据结构描述了必须转换为C / Fortran /…代码的示例。此数据结构涵盖以一种或多种支持的语言提供的所有功能。
• CodeGen类的扩展将多个Routine实例转换为可编译代码。每个派生的类都翻译成一种特定的语言。
• 在许多情况下，需要一个简单的工作流程。最后一部分中的友函数是Routine / CodeGen之上的简单api。它们更易于使用，但功能不那么强大。
—里程碑—
• 具有标量输入参数的第一个工作版本，生成C代码，进行测试
• 友好的功能比严格的Routine / CodeGen工作流程更易于使用。
• 整数和实数作为输入和输出
• 输出参数
• Input Output参数
• 正确排序输入/输出参数
• 连续数组参数（numpy矩阵）
• 同时为f2py生成.pyf代码（在自动包装模块中）
• 隔离常数并事先以双精度对其求值
• Fortran 90
• Octave/Matlab
• 常见子表达消除
• 用户定义的注释在生成的代码中
• 可选的依赖包含行，可以评估特殊功能的库/对象
• 测试其它C编译器和库：gcc，tcc，libtcc，gcc + gsl等
• 连续数组参数（对称矩阵）
• 非连续数组参数（对称矩阵）
• 当ccode遇到无法翻译为c的内容时，必须引发错误。ccode（integrate（sin（x）/ x，x））没有意义。
• 复数作为输入和输出
• 默认的复杂数据类型
• Include中包含其它信息：日期，用户，主机名，sha1哈希，…
• Fortran 77
• C ++
• Python
• Julia
• Rust
• …
class sympy.utilities.codegen.Argument(name, datatype=None, dimensions=None, precision=None)
抽象的Argument数据结构：名称和数据类型。
下面的扩展对这种结构进行了改进。
class sympy.utilities.codegen.CCodeGen(project=‘project’, printer=None, preprocessor_statements=None, cse=False)
C代码生成器。
从CodeGen继承的.write（）方法，将分别输出代码文件和接口文件 .c和 .h。
dump_c(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
dump_h(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
写入C头文件。
该文件包含所有函数声明。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于构造包含include guards保护。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
get_prototype（常规）
返回该示例的函数原型的字符串。
如果示例具有多个结果对象，则会引发CodeGenError。
请参阅：https：//en.wikipedia.org/wiki/Function_prototype
class sympy.utilities.codegen.CodeGen(project=‘project’, cse=False)
代码生成器的抽象类。
dump_code(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
routine(name, expr, argument_sequence=None, global_vars=None)
创建适合该语言的Routine对象。
此实现至少适用于C / Fortran。如有必要，子类可以覆盖此方法。
假设最多有一个返回值（l值），必须是标量。其它输出是OutputArguments（例如，右侧的指针或通过引用的指针）。矩阵始终通过OutputArguments返回。如果argument_sequence为None，则参数将按字母顺序排序，但所有InputArguments排第一，然后是OutputArgument和InOutArguments。
write(routines, prefix, to_files=False, header=True, empty=True)
编写给定示例的所有源代码文件。
生成的源作为（文件名，内容）元组的列表返回，或写入文件中（请参见下文）。每个文件名都由给定的前缀组成，并附加适当的扩展名。
参量
示例：列表
要编写的示例实例列表
前缀：字符串
输出文件的前缀
to_files：布尔值，可选
为True时，输出将写入文件。否则，将返回（文件名，内容）元组的列表。[默认值：False]
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认值：True]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认值：True]
class sympy.utilities.codegen.DataType(cname, fname, pyname, jlname, octname, rsname)
以不同的语言保存某个数据类型的字符串。
class sympy.utilities.codegen.FCodeGen(project=‘project’, printer=None)
Fortran 95代码生成器
从CodeGen继承的.write（）方法将分别输出代码文件和接口文件 .f90和 .h。
dump_f95(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
dump_h(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
将接口写入头文件。
该文件包含所有函数声明。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
get_interface（常规）
返回函数接口的字符串。
该示例应具有单个结果对象，该对象可以为None。如果示例具有多个结果对象，则会引发CodeGenError。
请参阅：https：//en.wikipedia.org/wiki/Function_prototype
class sympy.utilities.codegen.JuliaCodeGen(project=‘project’, printer=None)
从CodeGen继承的.write（）方法将输出代码文件 .jl。
dump_jl(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
routine(name, expr, argument_sequence, global_vars)
专为Julia创建例行程序。
class sympy.utilities.codegen.OctaveCodeGen(project=‘project’, printer=None)
从CodeGen继承的.write（）方法将输出代码文件 .m。
octave.m文件通常包含一个功能。该函数名称应与文件名（prefix）相匹配。如果传递多个name_expr对，则假定后者是由主函数访问的私有函数。
只应将输入传递给argument_sequence：输出按照name_expr中的顺序排列。
dump_m(routines, f, prefix, header=True, empty=True, inline=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
routine(name, expr, argument_sequence, global_vars)
octave的专业示例创建。
class sympy.utilities.codegen.OutputArgument(name, result_var, expr, datatype=None, dimensions=None, precision=None)
OutputArgument总是在示例中初始化。
class sympy.utilities.codegen.Result(expr, name=None, result_var=None, datatype=None, dimensions=None, precision=None)
返回值的表达式。
名称结果用于避免与python语言中的保留字“ return”发生冲突。也比ReturnValue短。
可能在目标中也可能不需要名称（例如，“ return（x * y）”可能会返回一个值而无需命名）。
class sympy.utilities.codegen.Routine(name, arguments, results, local_vars, global_vars)
表达式集的评估示例的一般描述。
CodeGen类可以将此类的实例转换为特定语言的代码。常规规范涵盖了这些语言中存在的所有功能。当目标语言中不存在某些功能时，CodeGen部分必须引发异常。例如，在Python中可能有多个返回值，但在C或Fortran中却没有。另一个示例：Fortran和Python支持复数，而C不支持。
属性result_variables
返回OutputArgument，InOutArgument和Result的列表。
如果存在返回值，则它们将位于列表的末尾。
属性variables
返回示例中可能使用的所有变量的集合。
对于具有未命名返回值的示例，可能使用或可能不使用的虚拟变量将包括在该集合中。
class sympy.utilities.codegen.RustCodeGen(project=‘project’, printer=None)
Rust代码生成器。
从CodeGen继承的.write（）方法将输出代码文件 .rs
dump_rs(routines, f, prefix, header=True, empty=True)
通过调用特定于语言的方法来编写代码。
生成的文件以低级代码包含示例的所有定义，并在适当时引用头文件。
参量
示例：列表
示例实例列表。
f：类似文件
在哪里写文件。
前缀：字符串
文件名前缀，用于引用正确的头文件。仅使用前缀的基本名称。
header头：布尔值，可选
如果为True，则在每个源文件的顶部包含标题注释。[默认：正确]
空：布尔值，可选
如果为True，则包含空行以构造源文件。[默认：正确]
get_prototype（常规）
返回该示例的函数原型的字符串。
如果示例具有多个结果对象，则会引发CodeGenError。
请参阅：https：//en.wikipedia.org/wiki/Function_prototype
routine(name, expr, argument_sequence, global_vars)[source]
Rust的常规程序创建。
sympy.utilities.codegen.codegen(name_expr, language=None, prefix=None, project=‘project’, to_files=False, header=True, empty=True, argument_sequence=None, global_vars=None, standard=None, code_gen=None, printer=None)
为给定语言的表达式生成源代码。
参量
name_expr：元组或元组列表
一个（名称，表达式）元组或（名称，表达式）元组列表。每个元组对应一个示例。如果表达式是等式（Equal类的实例），则将左侧视为输出参数。如果expression是可迭代的，则该示例将具有多个输出。
语言：字符串，
指示源代码语言的字符串。这是不区分大小写的。当前，支持“ C”，“ F95”和“Octave”。“ Octave”生成与Octave和Matlab兼容的代码。
prefix：字符串，可选
包含源代码的文件名的前缀。与语言相关的后缀将被附加。如果省略，则使用第一个name_expr元组的名称。
项目：字符串，可选
项目名称，用于制作唯一的预处理程序指令。[默认：“项目”]
to_files：布尔值，可选
当为True时，代码将被写入具有给定前缀的一个或多个文件，否则返回具有这些文件的名称和内容的字符串。[默认值：False]
标头：布尔值，可选
如果为True，则将标头写入每个源文件的顶部。[默认值：True]
空：布尔值，可选
如果为True，则使用空行来构造代码。[默认值：True]
arguments_sequence：可迭代，可选
示例的参数序列按首选顺序排列。如果缺少必需的参数，则会引发CodeGenError。使用冗余参数时不会发出警告。如果省略，则参数将按字母顺序排序，但所有输入参数都将首先排列，然后是输出或输入-输出参数。
global_vars：可迭代，可选
示例使用的全局变量序列。此处列出的变量不会显示为函数参数。
标准：字符串
code_gen：CodeGen实例
CodeGen子类的实例。覆盖language。
示例
Run code block in SymPy Live

from sympy.utilities.codegen import codegen
from sympy.abc import x, y, z
[(c_name, c_code), (h_name, c_header)] = codegen(
… (“f”, x+y*z), “C89”, “test”, header=False, empty=False)

print(c_name)
test.c

print(c_code)
#include “test.h”
#include <math.h>
double f(double x, double y, double z) {
double f_result;
f_result = x + y*z;
return f_result;
}

print(h_name)
test.h

print(c_header)
#ifndef PROJECT__TEST__H
#define PROJECT__TEST__H
double f(double x, double y, double z);
#endif
使用Equality对象提供命名输出的另一个示例。这里的文件名（前缀）取自first (name, expr)。
Run code block in SymPy Live

from sympy.abc import f, g
from sympy import Eq
[(c_name, c_code), (h_name, c_header)] = codegen(
… [(“myfcn”, x + y), (“fcn2”, [Eq(f, 2*x), Eq(g, y)])],
… “C99”, header=False, empty=False)

print(c_name)
myfcn.c

print(c_code)
#include “myfcn.h”
#include <math.h>
double myfcn(double x, double y) {
double myfcn_result;
myfcn_result = x + y;
return myfcn_result;
}
void fcn2(double x, double y, double *f, double *g) {
(f) = 2x;
(*g) = y;
}
如果生成的函数将是已定义各种全局变量的较大项目的一部分，则可以使用’global_vars’选项从函数签名中删除指定的变量
Run code block in SymPy Live

from sympy.utilities.codegen import codegen
from sympy.abc import x, y, z
[(f_name, f_code), header] = codegen(
… (“f”, x+y*z), “F95”, header=False, empty=False,
… argument_sequence=(x, y), global_vars=(z,))

print(f_code)
REAL8 function f(x, y)
implicit none
REAL8, intent(in) :: x
REAL8, intent(in) :: y
f = x + yz
end function
sympy.utilities.codegen.get_default_datatype(expr, complex_allowed=None)
根据表达式得出适当的数据类型。
sympy.utilities.codegen.make_routine(name, expr, argument_sequence=None, global_vars=None, language=‘F95’)
通过表达式生成适当示例的factory。
参量
名称：字符串
生成的代码中此示例的名称。
expr：表达式或表达式列表/元组
Routine实例将代表的SymPy表达式。如果给定表达式列表或元组，则该示例将被视为具有多个返回值和/或输出参数。
arguments_sequence：列表或元组，可选
以首选顺序列出示例的参数。如果省略，则结果取决于语言，例如，字母顺序或与给定表达式相同的顺序。
global_vars：可迭代，可选
示例使用的全局变量序列。此处列出的变量不会显示为函数参数。
语言：字符串，可选
指定目标语言。示例本身应该与语言无关，但是创建示例的确切方式，错误检查等取决于语言。[默认值：“ F95”]。
决定是否使用输出参数或返回值
取决于语言和特定的数学表达式。
对于Equality类型的表达式，通常制作左侧
放入一个OutputArgument（或一个InOutArgument，如果合适的话）。
否则，通常使计算出的表达式的返回值为
routine程序。
示例
Run code block in SymPy Live

from sympy.utilities.codegen import make_routine
from sympy.abc import x, y, f, g
from sympy import Eq
r = make_routine(‘test’, [Eq(f, 2*x), Eq(g, x + y)])
[arg.result_var for arg in r.results]
[]

[arg.name for arg in r.arguments]
[x, y, f, g]

[arg.name for arg in r.result_variables]
[f, g]

r.local_vars
set()
另一个更复杂的示例，其中包含指定名称和自动分配的名称。还具有矩阵输出。
Run code block in SymPy Live

from sympy import Matrix
r = make_routine(‘fcn’, [x*y, Eq(f, 1), Eq(g, x + g), Matrix([[x, 2]])])
[arg.result_var for arg in r.results]
[result_5397460570204848505]

[arg.expr for arg in r.results]
[x*y]

[arg.name for arg in r.arguments]
[x, y, f, g, out_8598435338387848786]
可以更仔细地研究各种论点：
Run code block in SymPy Live

from sympy.utilities.codegen import (InputArgument, OutputArgument,
… InOutArgument)

[a.name for a in r.arguments if isinstance(a, InputArgument)]
[x, y]
Run code block in SymPy Live

[a.name for a in r.arguments if isinstance(a, OutputArgument)]
[f, out_8598435338387848786]

[a.expr for a in r.arguments if isinstance(a, OutputArgument)]
[1, Matrix([[x, 2]])]
Run code block in SymPy Live

[a.name for a in r.arguments if isinstance(a, InOutArgument)]
[g]

[a.expr for a in r.arguments if isinstance(a, InOutArgument)]
[g + x]

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