【Python】通过Cython提升性能

别让心失明

一、什么是Cython，

如果你了解Python，就会知道Python相比于其他语言，性能差了不是一点半点。但是Python的底层实现大量使用了C语言，可以与C语言很好的结合。并且在Python中由于GIL全局解释器锁的机制，导致python在实现CPU密集型操作时非常吃力。Cython是Python的一个扩展，用于将Python代码编译为C代码，并且可以完美的避开GIL机制，，从而显著提升性能。
二、调用.C文件

1、安装cython

1. pip install cython

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2、编写.h头文件和.c文件

1. int sub(int n);//sub.h

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编写C语言文件sub.c

1. #include "sub.h"
3. int sub(int n) {
4.     return n*(n+1)/2;
5. }

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3、编写sub.pyx文件

1. cdef extern from "sub.h":
2.     int sub(int n)
4. def sub_with_c(n):
5.     return sub(n)

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4、编写setup.py文件

1. from distutils.core import setup,Extension
2. from Cython.Build import cythonize
4. ext = Extension(name="wrapper_sub",sources=["sub.pyx","c/sub.c"],language_level=3,)  
5. setup(ext_modules=cythonize(ext))

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5、运行setup.py文件

1. python setup.py build

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会生成一个sub.c文件和build目录以及wrapper_sub.cpython-39-darwin.so文件就是我们需要的共享模块。其余的可以删除。
6、调用共享模块

1. import wrapper_sub
3. if __name__ == '__main__':
4.     print(wrapper_sub.sub_with_c(100))

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通过调用C编译后的文件可以极大的提高运行速度，并且可以避免GIL全局解释器锁的影响。
三、将Python代码编译为C共享模块

1、编写ArrarySort.pyx文件

这里实际上就是编写Python代码，将py后缀改为pyx

1. def arr_list(arr:list):
2.     arr.sort()
3.     return arr

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2、编写setup.py脚本

1. from distutils.core import setup
2. from Cython.Build import cythonize
4. setup(ext_modules=cythonize("ArrarySort.pyx",language=3))

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3、运行setup脚本

1. python setup.py build_ext --inplace

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生成ArrarySort.cpython-39-darwin.so文件，其余文件可以删除。
4、调用共享模块

1. import ArrarySort
3. a= ArrarySort.arr_list([12,2134,2345,12,2])
4. print(a)

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四、手动编写Cython

Cython本身有一套自己的写法规则，类似Python和C语言。可以直接编写pyx文件，将pyx编译为C代码，gcc编译器编译为共享模块(这一步可以不需要手动操作，distutils 自动处理)。
手动操作的话指令

1. gcc -shared -fPIC -I/python3.9 -o bubble_sort.so bubble_sort.c

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1、编写pyx文件

这里使用Cython自身的语法规则，不需要使用C或Python进行其他的操作

1. def bubble_sort(arr):
2.     cdef int n = len(arr)
3.     cdef int i, j
4.     cdef int temp
5.     for i in range(n):
6.         for j in range(0, n-i-1):
7.             if arr[j] > arr[j+1]:
8.                 temp = arr[j]
9.                 arr[j] = arr[j+1]
10.                 arr[j+1] = temp

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2、编写setup.py脚本

1. from distutils.core import setup
2. from Cython.Build import cythonize
4. setup(
5.     ext_modules = cythonize("arrary_sort.pyx")
6. )

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3、运行setup.py脚本

1. python setup.py build_ext --inplace

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会在当前目录中生成一个与 bubble_sort 相对应的 C 文件，并编译生成一个共享对象文件（在 Linux 上是 .so 文件，在 Windows 上是 .pyd 文件）。这时候我们只需要共享文件即可。
4、在Python中调用共享模块

1. import arrary_sort
3. arr = [1,3,2,4,3,5,6,2,6,7,3]
4. arrary_sort.bubble_sort(arr)
5. print(arr)

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五、总结

Cython是一种工具，可以让Python程序跑得更快。它通过将Python代码转换成C语言代码并进行编译，大大提升了程序的执行效率。使用Cython，你可以在Python代码中直接书写C语言的类型声明，这样不仅减少了解释器的开销，还能更高效地执行计算密集型任务。此外，Cython还能直接调用C语言的函数和数据类型，使得Python程序可以利用C语言的高性能。这种方法特别适合需要处理大量计算任务的场景，比如科学计算、数据分析和机器学习。同时，Cython保留了Python的简洁易用，开发者可以逐步优化代码，不需要一次性重写整个项目。这样，既能享受Python的开发便利，又能获得接近C语言的执行效率。

来源:https://www.cnblogs.com/changwan/p/18309833
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