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【Python】通过Cython提升性能

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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"
  2. int sub(int n) {
  3.     return n*(n+1)/2;
  4. }
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3、编写sub.pyx文件
  1. cdef extern from "sub.h":
  2.     int sub(int n)
  3. def sub_with_c(n):
  4.     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
  3. ext = Extension(name="wrapper_sub",sources=["sub.pyx","c/sub.c"],language_level=3,)  
  4. 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
  2. if __name__ == '__main__':
  3.     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
  3. 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
  2. a= ArrarySort.arr_list([12,2134,2345,12,2])
  3. 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
  3. setup(
  4.     ext_modules = cythonize("arrary_sort.pyx")
  5. )
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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
  2. arr = [1,3,2,4,3,5,6,2,6,7,3]
  3. arrary_sort.bubble_sort(arr)
  4. 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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