F2PY 和 Windows#

警告

F2PY 对 Windows 的支持并不总是与 Linux 支持相同

注意

ScPy 的文档包含一些关于系统级依赖项的信息，这些依赖项也经过了 Fortran 的良好测试。

总的来说，在 Windows 上使用 F2PY 时有两个问题

  • 缺乏积极开发的 FOSS Fortran 编译器，以及

  • 与构建 Python-C 扩展相关的 C 运行时库链接问题。

本节的重点是为在 Windows 上通过 F2PY 本地开发和扩展 Python 的 Fortran 模块建立指南。

当前支持的工具链是

  • Mingw-w64 C/C++/Fortran 编译器

  • Intel 编译器

  • Clang-cl + Flang

  • MSVC + Flang

概述#

从用户的角度来看，最与 UNIX 兼容的 Windows 开发环境是通过模拟实现的，可以通过 Windows 子系统 Linux (WSL) 或 Docker 来实现。类似地，传统的虚拟化方法（如 VirtualBox）也是在 Windows 上开发 UNIX 工具的合理方法。

除了使用商业编译器之外，Windows 的原生支持通常受到限制。但是，截至 2022 年，大多数商业编译器都有免费计划，足以满足一般用途。此外，f2py 支持的 Fortran 语言特性（部分覆盖 Fortran 2003）意味着通常不需要更新的工具链。简而言之，对于最终用户而言，按使用顺序排列：

经典 Intel 编译器（商业）

这些编译器得到积极维护，但可能适用许可限制，详情请参见 F2PY 和 Windows Intel Fortran。

对于那些通过 MSVC 构建原生 Windows 程序的人来说，它适合一般用途。

MSYS2 (FOSS)

结合 mingw-w64 项目，可以使用 gfortran 和 gcc 工具链来本地构建 Windows 程序。

Windows 子系统 Linux (WSL)

假设使用 gfortran，这可以用于交叉编译 Windows 应用程序，但这要复杂得多。

Conda

Conda 中编译器的 Windows 支持是通过提取 MSYS2 二进制文件来实现的，但是这些 已经过时，因此不推荐使用（截至 2022 年 1 月 30 日）。

PGI 编译器（商业）

未维护，但如果存在现有许可证则足够。可在本地工作，但已被 Nvidia HPC SDK 取代，并且没有 原生 Windows 支持。

Cygwin (FOSS)

也可以用于 gfortran。但是，Cygwin 提供的 POSIX API 兼容性层旨在在 Windows 上编译 UNIX 软件，而不是构建本机 Windows 程序。这意味着需要交叉编译。

到目前为止描述的编译套件与 现已弃用 的 np.distutils 构建后端兼容，该后端由 F2PY CLI 公开。如 F2PY 和构建系统 中所述，附加构建系统用法（meson，cmake）允许使用更灵活的编译器后端集，包括：

Intel oneAPI

较新的 Intel 编译器（ifx，icx）基于 LLVM，可用于本地编译。许可要求可能很繁琐。

经典 Flang (FOSS)

PGI 编译器的基础被用来构成“经典”或 Flang 的旧版本。这可以从源代码编译并本地使用。LLVM Flang 尚未支持 Windows（截至 2022 年 1 月 30 日）。

LFortran (FOSS)

两个基于 LLVM 的编译器之一。并非所有 F2PY 支持的 Fortran 都可以编译（截至 2022 年 1 月 30 日），但它使用 MSVC 进行本地链接。

基线#

对于本文档，我们将假设以下基本工具：

  • 正在考虑的 IDE 是社区支持的 Microsoft Visual Studio Code

  • 正在使用的终端是 Windows 终端

  • 假定 shell 环境为 Powershell 7.x

  • 来自 Microsoft Store 的 Python 3.10，可以使用以下命令进行测试：

    Get-Command python.exe 解析为 C:\Users\$USERNAME\AppData\Local\Microsoft\WindowsApps\python.exe

  • Microsoft Visual C++ (MSVC) 工具集

有了这个基线配置，我们将进一步考虑如下配置矩阵：

支持矩阵，exe 表示 Windows 安装程序#

Fortran 编译器

C/C++ 编译器

来源

Intel Fortran

MSVC / ICC

exe

GFortran

MSVC

MSYS2/exe

GFortran

GCC

WSL

经典 Flang

MSVC

源码 / Conda

Anaconda GFortran

Anaconda GCC

exe

要了解促使需要此类矩阵的关键问题，Pauli Virtanen 关于 Windows 上 Fortran 轮子的深入文章是一个极好的资源。JeanHeyd Meneide 的这篇文章对应用程序二进制接口 (ABI) 做了有趣的解释。

PowerShell 和 MSVC#

MSVC 是通过 Visual Studio 套件或更轻量级的（首选）Visual Studio 构建工具（带有 Desktop development with C++ 设置）安装的。

注意

这可能需要大量时间，因为它包括大约 2GB 的下载并需要重新启动。

可以从 标准命令提示符 使用生成的程序。但是，使用 开发人员 PowerShell 以及 Windows 终端中的配置文件 会更方便。这可以通过将以下代码块添加到用于配置 Windows 终端的 JSON 文件的 profiles->list 部分来实现（参见 Settings->Open JSON file）

{
"name": "Developer PowerShell for VS 2019",
"commandline": "powershell.exe -noe -c \"$vsPath = (Join-Path ${env:ProgramFiles(x86)} -ChildPath 'Microsoft Visual Studio\\2019\\BuildTools'); Import-Module (Join-Path $vsPath 'Common7\\Tools\\Microsoft.VisualStudio.DevShell.dll'); Enter-VsDevShell -VsInstallPath $vsPath -SkipAutomaticLocation\"",
"icon": "ms-appx:///ProfileIcons/{61c54bbd-c2c6-5271-96e7-009a87ff44bf}.png"
}

现在，测试编译器工具链可能如下所示：

 # New Windows Developer Powershell instance / tab
 # or
 $vsPath = (Join-Path ${env:ProgramFiles(x86)} -ChildPath 'Microsoft Visual Studio\\2019\\BuildTools');
 Import-Module (Join-Path $vsPath 'Common7\\Tools\\Microsoft.VisualStudio.DevShell.dll');
 Enter-VsDevShell -VsInstallPath $vsPath -SkipAutomaticLocation
 **********************************************************************
 ** Visual Studio 2019 Developer PowerShell v16.11.9
 ** Copyright (c) 2021 Microsoft Corporation
 **********************************************************************
 cd $HOME
 echo "#include<stdio.h>" > blah.cpp; echo 'int main(){printf("Hi");return 1;}' >> blah.cpp
 cl blah.cpp
.\blah.exe
 # Hi
 rm blah.cpp

也可以使用 $ENV:PATH 检查环境是否已正确更新。

Microsoft Store Python 路径#

此处讨论的 MS Windows 版本的 Python 使用哈希安装到非确定性路径。这需要添加到 PATH 变量。

$Env:Path += ";$env:LOCALAPPDATA\packages\pythonsoftwarefoundation.python.3.10_qbz5n2kfra8p0\localcache\local-packages\python310\scripts"