背景介绍
pybind11是一个基于C++11标准的模版库. 与Boost.Python类似, pybind11主要着眼于创建C++代码的Python封装, 并为其提供了一套轻量级的解决方案.

安装与代码示例
①. 安装C++编译器(各平台略有不同, 支持C++11标准即可)
②. 安装cmake工具(官网下载安装即可, 用于组织C++工程)
③. 安装Python解释器(官网下载安装即可)
④. 安装pybind11库
     终端运行: pip3 install pybind11 
⑤. 获取pybind11库相关目录
     解释器内运行:

import pybind11
pybind11.get_cmake_dir() # 获取cmake目录
pybind11.get_include() # 获取include目录

⑥. 待封装之C++源码
     本文以一个main.cpp源文件为例, 简要给出一个函数与一个类的封装示例, 代码如下,

#include
#include

#include
#include

int MyFunc(int i, int j)
{
return i + j;
}

class MyClass
{
public:
MyClass(const std::string& msg) : msg_(msg) {}

void printMsg()  
{  
    std::cout << this->msg\_ << std::endl;  
}

Eigen::VectorXd add(const Eigen::VectorXd& lhs, const Eigen::VectorXd& rhs)  
{  
    Eigen::VectorXd ret = lhs + rhs;  
    return ret;  
}

std::string msg\_;  

};

PYBIND11_MODULE(testlib, m) // 此处设置模块名为testlib
{
m.doc() = "This is a test library";

m.def("MyFunc", &MyFunc, "my first function",  
    pybind11::arg("i") = 1, pybind11::arg("j") = 2);

pybind11::class\_<MyClass>(m, "MyClass")  
    .def(pybind11::init<const std::string&>())  
    .def("printMsg", &MyClass::printMsg)  
    .def("add", &MyClass::add, pybind11::arg("lhs"), pybind11::arg("rhs"))  
    .def\_readwrite("msg\_", &MyClass::msg\_);  

}

其中, MyFunc是待导出函数, MyClass是待导出类. 注意, 上例含eigen库(C++)与numpy库(Python)之映射, 无eigen库的小伙伴可以注释相关内容.

cmake工程示例
配合上述main.cpp源文件, CMakeLists.txt文件内容如下,

cmake_minimum_required(VERSION 3.15)

set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release")
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
project(test_lib)

set(test_srcs
main.cpp
)

set(pybind11_DIR "/opt/homebrew/lib/python3.9/site-packages/pybind11/share/cmake/pybind11") # 此处设置pybind11之cmake目录, 即: pybind11.get_cmake_dir()
find_package(pybind11 REQUIRED)
pybind11_add_module(testlib ${test_srcs}) # 此处设置模块名为testlib
target_include_directories(testlib PUBLIC "/Users/xxhbdk/MyLibs/eigen-3.4.0") # 此处附加包含eigen库目录

当前工程结构如下,

编译及效果展示
终端运行如下命令编译Python动态库:

mkdir build # 创建编译目录
cd build
cmake ..
make

运行完成后, 笔者build目录下生成了Python动态库文件"testlib.cpython-39-darwin.so". 随后即可在Python环境中使用之, 测试效果如下,

可以看到, 接口导出整体符合预期.

注意事项
①. C++源文件中模块名需要与cmake工程文件中模块名保持一致; ②. 本文着重阐述pybind11配合cmake之通用流程, 具体API使用细节, 请大家参考官方文档等资料.

参考文档
①. https://pybind11.readthedocs.io/en/stable/②. https://cmake.org/cmake/help/latest/

补充1(C++调用Python)
①. 待调用之Python源码
     本文以一个my_func.py源文件为例, 简要给出一个函数示例, 代码如下,

def MyFunc(i, j):
return i + j

②. 待编译之C++源码
     本文以一个main.cpp源文件为例, 简要给出一个C++调用Python函数之示例, 代码如下,

#include
#include

int main()
{
pybind11::scoped_interpreter guard; // 初始化python解释器

pybind11::module my\_func = pybind11::module::import("my\_func");  
int i = 11;  
int j = 22;  
pybind11::object ret = my\_func.attr("MyFunc")(i, j);  
int n = ret.cast<int>();  
std::cout << i << " + " << j << " = " << n << std::endl;  

}

③. cmake工程示例
     配合上述main.cpp源文件, CMakeLists.txt文件内容如下,

cmake_minimum_required(VERSION 3.15)

set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release")
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
project(test_cppInvokePy)

set(test_srcs
main.cpp
)

add_executable(main ${test_srcs})
set(pybind11_DIR "/opt/homebrew/lib/python3.9/site-packages/pybind11/share/cmake/pybind11") # 此处设置pybind11之cmake目录, 即: pybind11.get_cmake_dir()
find_package(pybind11 REQUIRED)
target_link_libraries(main PUBLIC pybind11::embed)

④. 编译及效果展示
     当前工程结构如下,

终端运行如下命令编译C++可执行文件,

mkdir build # 创建编译目录
cd build
cmake ..
make

运行完成后, 笔者build目录下生成了可执行文件"main". 随后将Python文件my_func.py拷贝至此build目录下.终端运行可执行文件main, 测试效果如下,

可以看到, 执行结果符合预期, Python模块调用成功.

补充1 - 参考文档
①. https://www.yuque.com/u461675/pcadi1/hf4fha#e82c4d4d

补充2(Global Interpreter Lock)
当执行流从Python侧进入C++侧时, GIL总是持有的. 因此, 如果C++侧代码长时间运行, 且不释放GIL, 则Python侧多线程可能无法达到预期的运行效果(如: UI运行阻塞等).
因此, 通过Python调用C++时, 若C++侧代码执行时间较长且具备Python侧多线程需求, 建议在C++代码入口处释放GIL.
释放GIL之方法①(功能代码执行处): pybind11::gil_scoped_release release; 
释放GIL之方法②(模块接口定义处): pybind11::call_guard();

补充2 - 注意事项
①. C++侧多线程不受GIL影响.

补充2 - 参考文档
①. https://pybind11.readthedocs.io/en/stable/advanced/misc.html#global-interpreter-lock-gil