Cython(https://cython.org)是一种方便开发者为Python写C extensions的语言，降低了开发者写C拓展的难度；Cython module可以是.py或者.pyx文件；
编译Cython module的主要过程:Cython compiler将.py/.pyx文件编译为c/c++文件；C compiler再将c/c++编译为.so(windows 为.pyd)；
通过Cython将.py转化为动态共享库来发布，不仅能够获得性能的提升，从安全的角度来看，还能有助于保护源码；

1、Cython的基本用法

编写测试代码hello.py:

相同目录下新建setup.py:

编译hello.py

import使用生成的hello module

2、分析Cython编译生成的hello.c

2.1 initialization function（module入口函数）

hello.c其实是C/C++ extension，首先，发现hello.c中存在initialization function：

A.若python版本>=3，入口函数名字为：PyInit_##modulename，
否则，为init##modulename；
B.若python版本>=3，并且开启了PEP489_MULTI_PHASE_INIT时，入口函数返回了PyModuleDef的对象指针；并且定义了pymod_exec函数；
否则，入口函数的函数体就是pymod_exec函数，返回初始化完成的Module；

Python官方文档Building C and C++ Extensions介绍了入口函数的命名规则；
C.分析发现入口函数在import过程中被PyImport_LoadDynamicModuleWithSpec()调用：

2.2 PEP 489:Multi-phase extension module initialization

PEP489重新设计了extension module和import机制的交互过程，提出了多阶段初始化，并且向后兼容single-phase initialization；
在入口函数之后，extension module的创建被分成了两个阶段：module creation phase,module execution phase；
A.入口函数

对PyModuleDef对象进行初始化，并返回对象指针；

__pyx_moduledef的类型就是PyModuleDef，结构如下：
注意到第二个成员即是module name；

extension module两个阶段处理过程就定义在PyModuleDef的m_slots成员中；
B.module creation phase
由 Py_mod_create slot管理，value所指向的函数有如下签名：
PyObject* (*PyModuleCreateFunction)(PyObject *spec, PyModuleDef *def)
创建并返回一个Module Object，第一个参数是ModuleSpec类型指针，在PEP451中定义；
上述例子相对应的函数如下：

3、多个Cython Module转化成单个.so

Cython将单个.py转化为单个.so比较方便，但是对package的支持却不够；package中存在多个.py和子目录，其子目录里面又包含多个.py和子目录；这种情况下将每个.py转化为一个.so，不便于后续对.so的加固保护。那么如何将package编译成一个.so？

3.1 PEP 302：New Import Hooks

参考Collapse multiple submodules to one Cython extension，第二个回答提到import一个模块时，Python会通过遍历sys.meta_path中的finder来确定一个module相对应的loader，import机制在PEP 302中引入了sys.meta_path，finder，loader；
往sys.meta_path中注入module定制化的finder，finder需要实现find_module()，返回module定制的loader对象；而loader需要实现load_module()，完成对模块的导入，并且返回module对象；

3.2 imp.load_dynamic()

参考的第二个答案基于importlib给出了python3的实现，在python2中，importlib并没有“MetaPathFinder”等类，不过python2中提供了imp.load_dynamic(name, pathname[, file])从动态库里来初始化module，且返回module对象；imp.load_dynamic官方文档中有如下说明：
A.“ The pathname argument must point to the shared library. The name argument is used to construct the name of the initialization function: an external C function called initname() in the shared library is called. The optional file argument is ignored.”
也就是说该函数有三个参数：module的名称’name’，动态库的路径’pathname’，以及1个可忽略的参数’file’；
B.“CPython implementation detail: The import internals identify extension modules by filename, so doing foo = load_dynamic("foo", "mod.so") and bar = load_dynamic("bar", "mod.so") will result in both foo and bar referring to the same module, regardless of whether or not mod.so exports an initbar function. ”
分析imp.load_dynamic()的源码发现：
Python2中维持了一个dictionary:extensions，以pathname为key，用来记录已经加载的动态库，作用就是防止多次加载同一个动态库执行其中的入口函数；imp.load_dynamic会调用_PyImport_LoadDynamicModule()，_PyImport_LoadDynamicModule()会调用_PyImport_FindExtension()来查询extensions中缓存的pathname相对应的module；如存在，就不会调用入口函数。
此外还发现，file参数存在的情况下，imp.load_dynamic会取得file的文件描述符’fp’，进而确定该文件的设备和inode编号，若已加载过该动态库文件，最终会通过dlsym(filehandle，funcname)查找入口函数，并返回入口函数指针；

所以，不同的module，调用imp.load_dynamic()时，设置好file参数，pathname保持不同，设置为module的完整名即可，就可实现从同一个so中加载不同的module；

3.3 module名称的调整

2.1节的hello.py，其python2入口函数名为：inithello；package中同一目录下，python文件名不同，所以能够保证入口函数名称不同；但如果其子目录下面存在同名的python文件，就会导致入口函数名冲突。
如下面的例子：

foo/foo1.py和foo/bar/foo1.py就会冲突，都是initfoo；
为了解决此问题，我们可以利用module包含package的完整名来重命名入口函数，将完整名中的点“.”换成下划线“_”；这样入口函数分别变为:initfoo_foo1和initfoo_bar_foo1，对于import机制来说module名就变为：foo_foo1和foo_bar_foo1，module完整名就分别变成：foo.foo_foo1和foo.bar.foo_bar_foo1。

3.4 python2下的实现

基于Collapse multiple submodules to one Cython extension的第二个回答，我们对Cython和bootstrap.py做了如下修改；

3.4.1 Compiler/ModuleNode.py的修改

对Cython Compiler的分析，发现2.1中hello.c代码生成部分由ModuleNode.py负责；
A.入口函数名调整为下划线形式

ModuleNode.py对应的部分调整：

B.__pyx_pymod_exec_hello()，single-phase initialization情况下的入口函数函数体

ModuleNode.py对应的部分调整：

3.4.2 bootstrap.py/setup.py

根据前面3.2，bootstrap.py如下：

setup.py：

3.5 python3下的实现

3.5.1 PEP 451:A ModuleSpec Type for the Import System

PEP 451提出了向importlib.machinery添加一个名为“ModuleSpec”的新类。它将提供用于加载一个module的所有导入相关的信息，且无需首先加载module即可使用。finder将直接提供module对应的ModuleSpec对象，而不是loader（通过ModuleSpec间接提供）。import机制将进行调整以利用ModuleSpec的优势，使用它们来加载模块。
finder和loader基于此PEP需要进行相应的调整：
1、定制module对应的finder，并且实现其find_spec()，返回对应的ModuleSpec对象，取代其find_module()；
2、定制loader，尽可能实现其exec_module()，取代load_module()；
3、当然，PEP 451向后兼容PEP 302；
importlib里面新增了一些api和类，方便我们实现finder及loader；
A.通过importlib.machinery.ExtensionFileLoader(fullname, path)来实现loader；
B.通过importlib.util.spec_from_loader(name, loader, *, origin=None, is_package=None)来生成封装了loader的spec；
C.继承importlib.abc.MetaPathFinder实现finder，其find_spec()执行上述两步；
module name应该为下划线格式的新名字，且为包含package的完整名；
基于Collapse multiple submodules to one Cython extension的第二个回答，利用ModuleSpec，我们对Cython和bootstrap.py做了如下修改；

3.5.2 Compiler/ModuleNode.py的修改

A、入口函数修改为下划线格式

ModuleNode.py对应的部分调整：

B、PyModuleDef类中的m_name
PyModule_Create()源码中指出，m_name是不带package的module name；

ModuleNode.py对应的部分调整：

C、__pyx_pymod_exec_hello():校验及加入sys.modules；

ModuleNode.py对应的部分调整：

3.5.3 bootstrap.py/setup.py

bootstrap.py:

setup.py: 同python2
参考：
https://docs.python.org/3/extending/building.html
https://github.com/python/cpython/blob/master/Python/importdl.c#L134
https://www.python.org/dev/peps/pep-0489/
https://stackoverflow.com/questions/30157363/collapse-multiple-submodules-to-one-cython-extension
https://www.python.org/dev/peps/pep-0302/
https://docs.python.org/2/library/imp.html#imp.load_dynamic
https://github.com/python/cpython/blob/2.7/Python/import.c#L3150
https://www.python.org/dev/peps/pep-0451/