Как объединить 5 языков программирования в одном Python проекте?

На сегодняшний день существует несколько тысяч языков программирования, каждый из которых создавался с определенной целью, пытаясь изменить и улучшить недостатки своих предшественников. Так, например, появился язык Kotlin, который был нацелен на замену Java в мобильной разработке. В 2010 году увидел свет язык Rust, разработчики которого пытались создать быстрый и безопасный язык, который закрывал бы многие недостатки C/C++.

Сейчас практически никто не ставит цели создать универсальный язык для всех задач и всех платформ, так как в каждой области есть свои потребности и нюансы для языка. Например, если в системной разработке требуется следить за памятью, то в местах, где нужно написать простой рабочий продукт, можно пренебречь тем, сколько памяти использует язык для своей работы.

Но что делать, если необходимо использовать несколько языков программирования в одном проекте?

Цель

Зачастую бывает так, что один язык не очень хорошо может справляться с теми задачами, которые нужно решить. Для этого программист может без проблем пересесть на другой язык. Но что делать, если уже имеется какая-то часть кода, которая написана на одном языке программирования, а другая часть кода на другом? Например, есть приложение, написанное на Python и есть какие-то структуры, модули или методы, которые написаны на Java (C/C#/JS) и уже оптимизированы с учетом этого языка, а переписывание этого кода на Python может занять много времени, да и код на Python будет выполняться намного медленнее и использовать больше памяти.

Можно попробовать объединить все эти наработки в одно приложение. Благо на сегодняшний день уже реализовано много библиотек, которые позволят без лишних проблем это сделать.

Цель статьи: попробовать написать одно приложение, где будет использоваться код, написанный на 5 разных языках программирования.

В качестве примера языки будут реализовать следующее: Cи будет проверять число на простоту методом квадратного корня, C# проверит число на простоту методом Милера-Рабина, Java проверит число на простоту методом Ферма, Python будет раскладывать число на множители, а JS будет высчитывать сумму числового ряда для полученных множителей.

P.s. примеры собраны очень примитивные, так как цель проекта — показать, как можно объединить несколько кусков кода вместе.

Java

Для того, чтобы запустить код Java из Python необходимо создать maven java проект (я пользуюсь IntellIJ). В нем создать модуль (я назвал его pkg_java) и в нем создать класс (название: JavaPrime) с логикой проверки числа на простоту методом Ферма:

package pkg_java; import java.util.*; public class JavaPrime {       public static void main(String[] args) {          boolean rez = is_prime_ferma(3574);         System.out.println(rez);     }      public static boolean is_prime_ferma(int number){         List<Integer> rnd_list = new ArrayList<Integer>();         int rnd_value;         boolean is_prime = true;         while (rnd_list.size() < 20){             rnd_value = get_rnd_value(number+1, number+100000);             if ((number % rnd_value != 0) && !rnd_list.contains(rnd_value)){                 rnd_list.add(rnd_value);             }         }         for (int rnd_number : rnd_list) {             if (mod_pow(rnd_number, number-1, number) != 1){                 is_prime = false;                 break;             }         }         return is_prime;     }      public static int get_rnd_value(int min, int max){         return (int)Math.floor(Math.random()*(max-min+1)+min);     }      public static long mod_pow(long a, long b, int m) {         a %= m;         if (b == 0) return 1;         else if (b % 2 == 0) {             return mod_pow((a * a) % m, b / 2, m);         }         else return (a * mod_pow(a, b - 1, m)) % m;     }  }

Далее необходимо создать .jar файл из данного модуля, для этого в File->Project Structure необходимо создать новый Jar артефакт:

После чего выполнить Build->Build Artifacts, высветится список всех доступных артефактов, необходимо выбрать только что созданный и нажать build, в итоге будет создан .jar файл модуля.

Теперь необходимо подключить .jar файл к Python. Для этого первым делом нужно установить библиотеку JPype1, выполнив pip install jpype1, и подключить созданный .jar к проекту:

from jpype import * jarpath = "java_is_prime.jar" startJVM(getDefaultJVMPath(), "-ea", "-Djava.class.path=%s" % (jarpath)) pkgJava = JPackage("pkg_java")  java_prime_class = pkgJava.JavaPrime() print("JAVA CLASS LOADED") print("TEST JAVA:", java_prime_class.is_prime_ferma(12)) >>> JAVA CLASS LOADED >>> TEST JAVA: False

Модуль Java был успешно загружен, теперь можно пользоваться тестом Ферма.

C#

Для того, чтоб запустить C# код в Python, нужно для начала создать библиотеку классов C# (я использовал VS2019):

Назовем проект is_prime_csharp (данный проект в будущем будет импортироваться в Python с таким же названием). Реализуем логику алгоритма Милера-Рабин:

using System; using System.Numerics; namespace is_prime_csharp {     public class miler_rabin_csharp     {         public static bool test_miler_rabin(int n)         {             if (n == 2 || n == 3) {                 return true;             }             if (n < 2 || n % 2 == 0) {                 return false;             }             // we represent n - 1 in the form (2 ^ s) t, where t is odd, this can be done by sequentially dividing n - 1 by 2              int t = n - 1;             int s = 0;             while (t % 2 == 0) {                 t = t / 2;                 s++;             }             Random rnd = new Random();             // let's take 8 rounds to determine the prime of a number.              for (int i= 0; i < 8; i++) {                  int a = rnd.Next(2, n-2);                 // x ← a ^ t mod n, we calculate using the exponentiation modulo                 int x = (int)BigInteger.ModPow(a, t, n);                 if (x == 1 || x == n - 1) {                     continue;                 }                  for (int j = 0; j < s - 1; j++) {                     // x ← x^2 mod n                     x = (int)BigInteger.ModPow(x, 2, n);                     // if x == 1 then return "compound"                      if (x == 1) {                         return false;                     }                     // if x == n - 1, then go to the next iteration of the outer loop                      if (x == n - 1) {                         break;                     }                 }                 if (x != n - 1) {                     return false;                 }             }             // return "probably simple"              return true;         }     } } 

Далее достаточно нажать ctrl+shift+B, чтобы скомпилировать .dll файл C# модуля. Данную .dll необходимо поместить в проект с Python.

Теперь необходимо установить библиотеку pythonnet, выполнив команду pip install pythonnet. Данная библиотека позволяет рассматривать пространство имен clr как модули в python. И через python можно загрузить модуль C#:

import clr path_с_sharp = os.getcwd() + "\\is_prime_csharp.dll" clr.AddReference(path_с_sharp) from is_prime_csharp import miler_rabin_csharp print("C# CLASS LOADED") print("TEST:", miler_rabin_csharp.test_miler_rabin(12)) >>> C# CLASS LOADED >>> TEST: False

Теперь модуль C# готов к работе, методом Милера-Рабина для проверки числа на простоту можно пользоваться.

Си

Для связи С с Python сначала реализуем алгоритм квадратного корня для проверки числа на простоту:

#include <stdbool.h> #include <math.h> bool is_prime_sqrt(int number){ bool prime = true; if (number == 1 || (number%2 == 0)){ prime = false; } else{ for (int i=2; i<=sqrt(number);i++){ if (number%i == 0){ prime = false; break; } } } return prime; }

Теперь создадим .dll из сишного кода. Для этого в папке с файлом is_prime_c.c через командную строку выполним:

• gcc -c -DBUILD_DLL is_prime_c.c

• gcc -shared -o is_prime_c.dll is_prime_c.o -Wl,—add-stdcall-alias

После чего в папке появится файл .dll, который так же необходимо поместить в Python проект и подключить:

from ctypes import * c_prime = WinDLL("./is_prime_c.dll") print("C MODULE LOADED") print("TEST C:", bool(c_prime.is_prime_sqrt(12))) >>> C MODULE LOADED >>> TEST C: False

Модуль C успешно загружен.

JavaScript

Связь Python и JS будет идти через библиотеку EEL, для этого сначала установим её в Python, выполнив pip install eel. Далее создадим HTML документ и JS файл, в HTML файле добавим eel.js и js файл с логикой суммы ряда (см подробнее проект на github). В js файле реализуем логику суммы ряда и обернем функцию дополнительно в eel.expose для того, чтобы эту функцию можно было вызвать из Python:

eel.expose(solve_example); function solve_example(list_of_numbers, x) {   let sum = 0;   let part = 0;   for (let i in list_of_numbers) {      part = list_of_numbers[i] * ((-1)**(i%3)) * (x**((-1)**i))      sum += part;   }   return (sum).toFixed(3); }

В main.py пропишем логику запуска программы:

from logic import * import eel eel.init("front") eel.start("index.html", size=(600, 489), port=51534)

С такой структурой программы:

И вызовем метод JS из Python:

print(eel.solve_example([2, 2, 3], 12)()) >>> 59.833

Python

Для начала реализуем метод факторизации чисел:

def factorization(number):    parts = []    delim = 2    while delim**2 <= number:        if number % delim == 0:            parts.append(delim)            number //= delim        else:            delim += 1    if number > 1:        parts.append(number)    return parts

В файле logic.py соберем все проверки в одной функции , чтобы данную функцию можно было вызвать из JS обернем её в eel.expose:

@eel.expose def start_proc_number_py(number):    part_answer = {}    part_answer["python"] = factorization(number)    part_answer["c"] = bool(c_prime.is_prime_sqrt(number))    part_answer["java"] = java_prime_class.is_prime_ferma(number)    part_answer["c#"] = miler_rabin_csharp.test_miler_rabin(number)    part_answer["js"] = eel.solve_example(part_answer["python"], number)()    rezult = {}    rezult["python"] = part_answer["python"]    rezult["c"] = "Простое" if part_answer["c"] else "Составное"    rezult["java"] = "Простое" if part_answer["java"] else "Составное"    rezult["c#"] = "Простое" if part_answer["c#"] else "Составное"    rezult["js"] = part_answer["js"]    return rezult

Результат

Программа имеет простой графический интерфейс:

Необходимо ввести число в поле “Число” и нажать кнопку “выполнить”. После чего через JS обработать нажатие данной кнопки и вызвать метод из Python:

document.querySelector("#start-programm").onclick = async (e) => {   let number = parseInt(document.querySelector("#number-js").value);   let result = await eel.start_proc_number_py(number)();   show_result(result); } function show_result(dict_result){    document.querySelector("#result-java").value = dict_result["java"];    document.querySelector("#result-c").value = dict_result["c"];    document.querySelector("#result-csharp").value = dict_result["c#"];    document.querySelector("#result-js").value = dict_result["js"];    document.querySelector("#result-python").value = dict_result["python"].join(', '); }

Теперь можно запустить программу и проверить, будет ли всё вместе работать:

Вывод

Связать несколько языков программирования вместе в одной программе возможно, но это не совсем хорошая идея, так как при запуске программы на стороннем ПК надо быть уверенным, что у пользователя установлены нужные сервисы/зависимости/ПО, например, стоит ли JVM. Для быстрой проверки работоспособности каких-то идей, модулей, логики можно попробовать использовать подход, описанный в статье. Данный способ позволяет экономить кучу времени, вместо того, чтобы мучаться и переписывать код на другой язык в надежде, что всё будет работать как надо. Этот способ может подойти в тех случаях, когда нет возможности разработать адекватную микросервисную архитектуру приложения, а нужно использовать несколько разных кусков кода/модулей.

Как итог, получилось связать Python + JS + Java + C + C# (+ HTML + CSS) в одной программе, сделав при этом полноценное десктопное приложение, которое работает быстро без лишних задержек при обращении к методам, написанным на другом языке. В таком подходе есть плюсы: можно использовать фишки других языков (например, использовать преимущества скорости в C, Java, C# с (или без) использованием многопоточности, задействующей несколько ядер процессора, а также можно реализовывать структуры, которые будут использовать меньше памяти нежели Python).

P.S. ссылочка на гитхаб проекта