能讓Python提速超40倍的神器Cython詳解

2021-06-24 19:00:50

讓Python提速超過40倍的神器：Cython

人工智慧最火的語言，自然是被譽為迄今為止最容易使用的程式碼之一的Python。Python程式碼素來以直觀、高可讀性著稱。

然而，易用的背後，是Python無法逾越的障礙：慢。尤其是C程式設計師，這群快槍手簡直無法忍受Python的慢。

所以有人就想了各種方法去解決這個問題，本文就介紹其中的一種。如果你的程式碼是純Python，或者你必須用一個大的for迴圈卻無法放入矩陣因為資料必須按順序處理，那麼就可以使用Cython來加速Python。

1、什麼是Cython？

根據維基百科：Cython是結合了Python和C的語法的一種語言，可以簡單的認為就是給Python加上了靜態型別後的語法，使用者可以維持大部分的Python語法，而不需要大幅度調整主要的程式邏輯與演演算法。但由於會直接編譯為二進位制程式，所以效能較Python會有很大提升。

Cython被大量運用在CPython函式庫的撰寫，以取得較高的執行效能。Cython將CPython程式碼轉譯成 C 或 C++ 語法後，自動包裝上函式呼叫介面生成 .pyx 字尾的執行檔，即可當成普通的函式庫。其效能一般遜於原生的 C/C++ 函式庫，但由於 CPython 語法的易用性可以縮短開發時間。Cython 也可以用於編譯以 C/C++ 為 CPython 撰寫的函式庫。

目前Cython可以在 Windows, macOS 與 Linux 上使用，可以編譯 2.6, 2.7 與 3.3 至 3.7 版本的 CPython 語法。

我們對Python程式碼的唯一調整是向每個變數新增型別資訊。通常，我們可以在Python中宣告一個變數，如下所示：

x = 0.5

使用Cython，我們將為該變數新增一個型別：

cdef float x = 0.5

這告訴Cython我們的變數是浮點數，和C一樣。使用純Python，變數的型別是動態確定的。Cython中型別的顯式宣告是可以轉換為C的原因，因為需要顯式型別宣告+。

安裝Cython只需要一行pip：

pip install cython

2、Cython的型別

使用Cython時，有兩種不同的型別，用於變數和函數。

對於變數，我們有：

cdef int a, b, c
cdef char *s
cdef float x = 0.5 (single precision)
cdef double x = 63.4 (double precision)
cdef list names
cdef dict goals_for_each_play
cdef object card_deck

請注意所有這些型別都來自C/C++！

對於功能：

def — regular python function, calls from Python only.
cdef — Cython only functions which can't be accessed from python-only code i.e must be called within Cython
cpdef — C and Python. Can be accessed from both C and Python

由此開始，我們要開啟加速了哦！準備好…

3、使用Cython加速程式碼

我們要做的第一件事就是設定Python程式碼基準：用於計算數位階乘的for迴圈。

原始Python程式碼如下所示：

def test(x):

  y = 1

  for i in range(x+1):

    y *= i

  return y

Cython相同功能看起來非常相似。確保Cython程式碼檔案使用 .pyx擴充套件名。程式碼本身的唯一變化是我們需要提前宣告變數和函數的型別，範例程式碼如下：

cpdef int test(int x):

    cdef int y = 1

    cdef int i

    for i in range(x+1):

        y *= i

    return y

注意函數有一個cpdef來確保我們可以從Python呼叫它。另外還需要為函數中的所有變數設定型別從而告知C編譯器。

接下來，建立一個setup.py檔案，該檔案將Cython程式碼編譯為C程式碼：

from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
setup(ext_modules = cythonize('run_cython.pyx'))

並執行編譯：

python setup.py build_ext --inplace

搞定！我們的C程式碼已經編譯好並且可以使用了。

在Cython程式碼所在的資料夾中擁有執行C程式碼所需的所有檔案，包括run_cython.c檔案，你儘可以進去仔細看個究竟。

現在，我們要測試全新超快速C程式碼了！準備好了嗎？3、2、1、go！

import run_python
import run_cython
import time
 
 
number = 10
 
 
start = time.time()
run_python.test(number)
end =  time.time()
 
py_time = end - start
print("Python time = {}".format(py_time))
 
start = time.time()
run_cython.test(number)
end =  time.time()
 
cy_time = end - start
print("Cython time = {}".format(cy_time))
 
 
print("Speedup = {}".format(py_time / cy_time))

Cython幾乎可以為任何原始Python程式碼提供良好的加速，不需要做太多額外的工作。記住，你用的迴圈越多、處理的資料越多，Cython就越有幫助。

看看下錶，其中顯示了Cython為不同的階乘值提供了多少速度。我們使用Cython獲得了超過36倍的加速！

到此這篇關於能讓Python提速超40倍的神器Cython詳解的文章就介紹到這了,更多相關Cython加速Python內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！

能讓Python提速超40倍的神器Cython詳解

讓Python提速超過40倍的神器：Cython

1、什麼是Cython？

2、Cython的型別

3、使用Cython加速程式碼

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