C++でmatplotlibcppを使いたいがエラーがでる。

Question

#環境

• os: WIndows 10 Pro
• Shell: PowerShell
• python interpriter: Python3.8 PATH:C:/AppData/msys2/mingw64/bin/python.exe
• c++ compiler:msys2の上でのmingw64 PATH:C:/AppData/msys2/mingw64/bin/g++.exe
• make : GNU Make 4.3
• cmake : version 3.19.1

#問題
Main.ccをCMakeFileListsにのっとってMakeFileを作ってmakeでコンパイルすると、
コンパイルには成功するが、実行時に以下のエラーが出る。
Main.ccでインクルードしてる、matplotlibcppってヘッダーファイルの中でPython.hや、numpyのAPIなどを使っている。

Could not find platform independent libraries <prefix>
Could not find platform dependent libraries <exec_prefix>
Consider setting $PYTHONHOME to <prefix>[:<exec_prefix>]
Python path configuration:
  PYTHONHOME = (not set)
  PYTHONPATH = (not set)
  program name = 'plotting'
  isolated = 0
  environment = 1
  user site = 1
  import site = 1
  sys._base_executable = 'C:\Users\hideki\Documents\LatexWorkspace\math-tech-experiment-7\source\kadai1\build\Main.exe'
  sys.base_prefix = 'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64'
  sys.base_exec_prefix = 'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64'
  sys.executable = 'C:\Users\hideki\Documents\LatexWorkspace\math-tech-experiment-7\source\kadai1\build\Main.exe'
  sys.prefix = 'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64'
  sys.path = [
    'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64\lib\python38.zip',
    'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64\lib\python3.8',
    'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64\lib\python3.8',
    'D:\a\_temp\msys\msys64\mingw64\lib\lib-dynload',
  ]
Fatal Python error: init_fs_encoding: failed to get the Python codec of the filesystem encoding   
Python runtime state: core initialized
ModuleNotFoundError: No module named 'encodings'

Current thread 0x0000035c (most recent call first):
<no Python frame>

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include<vector>
#include<iostream>

#include"matplotlibcpp.h"

#define rep(i, n) for (int i = 0; i < (int)(n); i++)
#define rep1(i, n) for (int i = 1; i <= (int)(n); i++)

using namespace std;
namespace plt=matplotlibcpp;

int main(){
    cout<<"ahoahoaho"<<endl;

    plt::plot({1,2,4,8,16});
    plt::show();
}

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)
project(Main)
 
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
 
add_executable(Main a-res.cc)
 
# matplotlibcppで使うPythonとNumpyを探す
find_package(Python3 COMPONENTS Development NumPy)
target_include_directories(Main PRIVATE ${Python3_INCLUDE_DIRS} ${Python3_NumPy_INCLUDE_DIRS})
target_link_libraries(Main Python3::Python Python3::NumPy)

#いろいろな情報
必要であれば開示します。解決したいのでなんでも助言してください。

• PYTHONHOMEについてはWIndowsのシステム環境変数で定義したが変わらない。。

• CMakeCache.txt の中ではPythonのライブラリへのパスや、pythonのインタプリタへのパス、NumpyのAPIへのパス等々正確な値がとれているのを確認した。

`make --debug=v'での結果は以下です。省略しましたが、numpyのAPIなどの存在を全部確認しているようです。

GNU Make 4.3
このプログラムは x86_64-pc-msys 用にビルドされました
Copyright (C) 1988-2020 Free Software Foundation, Inc.
ライセンス GPLv3+: GNU GPL バージョン 3 以降 <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
これはフリーソフトウェアです: 自由に変更および配布できます.
法律の許す限り、　無保証　です.
makefile を読み込みます...
makefile 'Makefile' の読み込み中...
makefile の更新中....
最終ターゲットを更新中....
ファイル 'default_target' を検討しています.
 ファイル 'default_target' が存在しません.
  ファイル 'all' を検討しています.
   ファイル 'all' が存在しません.
    ファイル 'cmake_check_build_system' を検討しています.
     ファイル 'cmake_check_build_system' が存在しません.
     ターゲットファイル 'cmake_check_build_system' の必要条件を満たしました.
    ターゲット 'cmake_check_build_system' を再make する必要があります.
    ターゲットファイル 'cmake_check_build_system' の再 make に成功しました.
   ターゲットファイル 'all' の必要条件を満たしました.
  ターゲット 'all' を再make する必要があります.
GNU Make 4.3
このプログラムは x86_64-pc-msys 用にビルドされました
Copyright (C) 1988-2020 Free Software Foundation, Inc.
ライセンス GPLv3+: GNU GPL バージョン 3 以降 <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
これはフリーソフトウェアです: 自由に変更および配布できます.
法律の許す限り、　無保証　です.
makefile を読み込みます...
makefile 'CMakeFiles/Makefile2' の読み込み中...
makefile の更新中....
最終ターゲットを更新中....
ファイル 'all' を検討しています.
 ファイル 'all' が存在しません.
  ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/all' を検討しています.
   ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/all' が存在しません.
   ターゲットファイル 'CMakeFiles/Main.dir/all' の必要条件を満たしました.
  ターゲット 'CMakeFiles/Main.dir/all' を再make する必要があります.
GNU Make 4.3
このプログラムは x86_64-pc-msys 用にビルドされました
Copyright (C) 1988-2020 Free Software Foundation, Inc.
ライセンス GPLv3+: GNU GPL バージョン 3 以降 <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
これはフリーソフトウェアです: 自由に変更および配布できます.
法律の許す限り、　無保証　です.
makefile を読み込みます...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/build.make' の読み込み中...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/depend.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/progress.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/flags.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile の更新中....
最終ターゲットを更新中....
ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/depend' を検討しています.
 ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/depend' が存在しません.
 ターゲットファイル 'CMakeFiles/Main.dir/depend' の必要条件を満たしました.
ターゲット 'CMakeFiles/Main.dir/depend' を再make する必要があります.
ターゲットファイル 'CMakeFiles/Main.dir/depend' の再 make に成功しました.
GNU Make 4.3
このプログラムは x86_64-pc-msys 用にビルドされました
Copyright (C) 1988-2020 Free Software Foundation, Inc.
ライセンス GPLv3+: GNU GPL バージョン 3 以降 <http://gnu.org/licenses/gpl.html>
これはフリーソフトウェアです: 自由に変更および配布できます.
法律の許す限り、　無保証　です.
makefile を読み込みます...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/build.make' の読み込み中...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/depend.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/progress.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile 'CMakeFiles/Main.dir/flags.make' の読み込み中 (探索パス) (~ の展開なし)...
makefile の更新中....
最終ターゲットを更新中....
ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/build' を検討しています.
 ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/build' が存在しません.
  ファイル 'Main.exe' を検討しています.
   ファイル 'Main.exe' が存在しません.
    ファイル 'C:/AppData/msys2/mingw64/lib/libpython3.8.dll.a' を検討しています.
     ターゲットファイル 'C:/AppData/msys2/mingw64/lib/libpython3.8.dll.a' の必要条件を満たしました.
    ターゲット 'C:/AppData/msys2/mingw64/lib/libpython3.8.dll.a' を再make する必要はありません.
    ファイル 'CMakeFiles/Main.dir/a-res.cc.obj' を検討しています.
      ファイル '../a-res.cc' を検討しています.
       ターゲットファイル '../a-res.cc' の必要条件を満たしました.
      ターゲット '../a-res.cc' を再make する必要はありません.
      ファイル 'C:/AppData/msys2/mingw64/include/python3.8/Python.h' を検討しています.
       ターゲットファイル 'C:/AppData/msys2/mingw64/include/python3.8/Python.h' の必要条件を満たしました.
      ターゲット 'C:/AppData/msys2/mingw64/include/python3.8/Python.h' を再make する必要はありません.
      。。。(省略)

Comments

[jbpb0]

make VERBOSE=1
でコンパイル過程が表示されるので、下記の必要な情報が全て不足無くコンパイラのオプションに指定されてるか、調べてみたらいかがでしょうか

> CMakeCache.txt の中ではPythonのライブラリへのパスや、pythonのインタプリタへのパス、NumpyのAPIへのパス等々正確な値がとれているのを確認した。

[jbpb0]

確認ですが、

> MakeFileを作ってコンパイルすると、
以下のエラーが出る。

とは、cmake の実行はエラー無くできて、その次の make の実行でエラーが出る、という意味ですよね？

[jbpb0]

エラー読むと、
D:\\a\\_temp\\msys\\msys64\\mingw64
があちこちにありますよね
そこにもpythonが入ってませんか？
下記とは別に

> python interpriter: Python3.8 PATH:C:/AppData/msys2/mingw64/bin/python.exe

[jbpb0]

> PYTHONHOMEについてはWIndowsのシステム環境変数で定義したが変わらない。

https://bugs.python.org/issue27054
によると、PYTHONHOMEやPYTHONPATHを設定することも、そのエラーが発生する原因となるようです
上記ページの一番下では、空で設定するか、設定を削除することが勧められています(設定の意味を十分に理解してる場合以外は)

[hidekiti]

makeはできます。実行時にエラーが出ます。。

[hidekiti]

私のパソコンにDドライブはないはずなんです。だから、そのパスもおかしいなって思ってるんです。

[hidekiti]

PYTHONHOMEはけしました。pythonの標準ライブラリへのパスだと認識してました。

[hidekiti]

POwershellで表示されていたパスを入力しても、そのようなストレージに移動することはできませんでした。

[jbpb0]

実行時のエラーなんですね
コンパイルができてるなら、コンパイラに必要な情報は、ちゃんと指定されてるのでしょう

make のメッセージでは c:/AppData/msys2/mingw64/lib/libpython3.8.dll.a が使われてるっぽいのに、実行時のエラーに D:... がたくさんあるのは、謎ですね

ところで、そのpythonは、普通に起動したらエラー出さずに使えるのですよね？

[hidekiti]

pythonをPowershellで起動すると普通に使えます。。。

[jbpb0]

msys2 環境は手元にないのですが、TDM-GCC は入れてるので、それ用に
cd build
cmake .. -G "MinGW Makefiles"
make
してできた .exe を動かしたら、同じエラーが出ました
Fatal Python error: initfsencoding: unable to load the file system codec
ModuleNotFoundError: No module named 'encodings'

対策を探して、下記を見つけました
https://teratail.com/questions/125904
(まだ試してません)
【追記】書かれているように
https://www.python.org/downloads/windows/
から、今使ってるpythonのバージョンと同じバージョンの「Windows x86-64 embeddable zip file」を落として build フォルダに展開し、.exe を動かしたら、別のエラーが出ました
ModuleNotFoundError: No module named 'numpy'
ModuleNotFoundError: No module named 'matplotlib'
terminate called after throwing an instance of 'std::runtime_error'
what(): Error loading module matplotlib!

[jbpb0]

動きました
やったことは、「PYTHONHOMEを設定」することです
(削除した方がいいと言っておきながら。。。)

https://teratail.com/questions/125904
を読んで、インストールしたpython関連のDLLが全て見つかればエラーが出なくなるだろうと思い、設定してみたら、うまくいきました

質問者さんとはインストールした状態がだいぶ異なるので、質問者さんの環境でもうまくいくか分かりませんが、試してみてください
(msys2 環境のpythonやg++を使える状態の)コマンドプロンプトで、下記を続けて実行します
set PYTHONHOME=適切なフォルダ
Main.exe

PYTHONHOME に設定するフォルダは、たぶん「C:/AppData/msys2/mingw64」あたりだろうと思いますが、msys2 環境でpythonを使ったことが無いので、よく分かりません

あと、将来pythonを別の場所に入れ直したり、複数のpythonをインストールして使い分けたり、仮想環境を作って使ったりする際に、PYTHONHOME を設定しているとトラブルの元になるので、ご注意ください
(日数が経つと、設定したこと自体を忘れがち)

【追記】https://www.python.org/downloads/windows/
から落とした「embeddable zip file」を展開したファイルは、削除したので使ってません

[jbpb0]

> コマンドプロンプトで、下記を続けて実行します
> set PYTHONHOME=適切なフォルダ
> Main.exe

PowerShellだと、こうですかね
$env:PYTHONHOME=適切なフォルダ
Main.exe

[hidekiti]

できました！！！！
ありがとうございます！！！
ほんと再現までしてくださって感謝感激です！！

[hidekiti]

ここで設定した環境変数はWIndowsのGUIから設定できるシステム環境変数やユーザー環境変数とは違うものなのでしょうか？
Shell固有のものでしょうか？

[jbpb0]

同じものですが、PowerShellで
$env:PYTHONHOME=...
で設定しても、他へは影響しません

Windowsの設定で環境変数に設定した場合は、設定したタイミングよりも後にPowerShellを起動したら反映されてるはずです
$env:PYTHONHOME
を実行したら、表示されるはず

【追記】上記はちょっと不正確な書き方をしてしまいました

PowerShellは、Windowsとは別の環境変数を持ってますが、起動時にWindowsの環境変数をコピーするので、起動時はWindowsの設定にある環境変数と基本同じです

起動後に
$env:PYTHONHOME=...
で設定したものは、そのPowerShellの環境変数に追加されますが、Windowsの環境変数には追加されません
他のPowerShellの環境変数にも追加されません

[hidekiti]

丁寧にありがとうございます。
解決したので解答として投稿していただければ、ベストアンサーにしたいと思います。
もしそれが面倒であれば、jbpb0さんの名前を載せて私が解決法を投稿してもよいですがどうしましょう？？

Answer 1

msys2 環境は手元にないのですが、TDM-GCC は入れてるので、それ用に
cd build
cmake .. -G "MinGW Makefiles"
make
してできた .exe を動かしたら、同じエラーが出ました

対策を探して、下記を見つけました
C++ から Python 実行について
それを読んで、インストールしたpython関連のDLLが全て見つかればエラーが出なくなるだろうと思い、「環境変数PYTHONHOME」を設定してみたら、動きました

質問者さんとはインストールした状態がだいぶ異なるので、質問者さんの環境でもうまくいくか分かりませんが、試してみてください
(msys2 環境のpythonやg++を使える状態の)コマンドプロンプトで、下記を続けて実行します
set PYTHONHOME=適切なフォルダ
Main.exe
PowerShellだと、こうですかね
$env:PYTHONHOME=適切なフォルダ
Main.exe

PYTHONHOME に設定するフォルダは、たぶん「C:/AppData/msys2/mingw64」あたりだろうと思いますが、msys2 環境でpythonを使ったことが無いので、よく分かりません

あと、将来pythonを別の場所に入れ直したり、複数のpythonをインストールして使い分けたり、仮想環境を作って使ったりする際に、PYTHONHOME を設定しているとトラブルの元になるので、ご注意ください
(日数が経つと、設定したこと自体を忘れがち)