【Python】通过Cython提升性能

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

pip install cython

2、编写.h头文件和.c文件

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

编写C语言文件sub.c

#include "sub.h"

int sub(int n) {
    return n*(n+1)/2;
}

3、编写sub.pyx文件

cdef extern from "sub.h":
    int sub(int n)

def sub_with_c(n):
    return sub(n) 

4、编写setup.py文件

from distutils.core import setup,Extension
from Cython.Build import cythonize

ext = Extension(name="wrapper_sub",sources=["sub.pyx","c/sub.c"],language_level=3,)  
setup(ext_modules=cythonize(ext)) 

5、运行setup.py文件

python setup.py build

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

import wrapper_sub

if __name__ == '__main__':
    print(wrapper_sub.sub_with_c(100))

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

def arr_list(arr:list):
    arr.sort()
    return arr

2、编写setup.py脚本

from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize

setup(ext_modules=cythonize("ArrarySort.pyx",language=3))

3、运行setup脚本

python setup.py build_ext --inplace

生成ArrarySort.cpython-39-darwin.so文件，其余文件可以删除。

4、调用共享模块

import ArrarySort

a= ArrarySort.arr_list([12,2134,2345,12,2])
print(a)

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

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

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

def bubble_sort(arr):
    cdef int n = len(arr)
    cdef int i, j
    cdef int temp
    for i in range(n):
        for j in range(0, n-i-1):
            if arr[j] > arr[j+1]:
                temp = arr[j]
                arr[j] = arr[j+1]
                arr[j+1] = temp

2、编写setup.py脚本

from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize

setup(
    ext_modules = cythonize("arrary_sort.pyx")
)

3、运行setup.py脚本

python setup.py build_ext --inplace

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

import arrary_sort

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

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。