快捷導(dǎo)航

利用ctypes提高Python的執(zhí)行速度

更新時(shí)間：2016年09月09日 09:03:17 投稿：daisy

這篇文章給大家介紹了如何利用ctypes提高Python的執(zhí)行速度，對(duì)大家學(xué)習(xí)使用python具有一定的參考借鑒價(jià)值。有需要的朋友們一起來(lái)看看吧。

前言

ctypes是Python的外部函數(shù)庫(kù)。它提供了C兼容的數(shù)據(jù)類(lèi)型，并且允許調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)/共享庫(kù)中的函數(shù)。它可以將這些庫(kù)包裝起來(lái)給Python使用。這個(gè)引入C語(yǔ)言的接口可以幫助我們做很多事情,比如需要調(diào)用C代碼的來(lái)提高性能的一些小型問(wèn)題。通過(guò)它你可以接入Windows系統(tǒng)上的 kernel32.dll 和 msvcrt.dll 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),以及Linux系統(tǒng)上的 libc.so.6 庫(kù)。當(dāng)然你也可以使用自己的編譯好的共享庫(kù)

我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子我們使用 Python 求 1000000 以?xún)?nèi)素?cái)?shù)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程10次，并計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。

import math
from timeit import timeit


def check_prime(x):
  values = xrange(2, int(math.sqrt(x)) + 1)
  for i in values:
    if x % i == 0:
      return False
  return True


def get_prime(n):
  return [x for x in xrange(2, n) if check_prime(x)]

print timeit(stmt='get_prime(1000000)', setup='from __main__ import get_prime',
       number=10)

輸出

42.8259568214

下面用C語(yǔ)言寫(xiě)一個(gè)的 check_prime 函數(shù),然后把它當(dāng)作共享庫(kù)(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))導(dǎo)入

#include <stdio.h>
#include <math.h>
int check_prime(int a)
{
  int c;
  for ( c = 2 ; c <= sqrt(a) ; c++ ) {
    if ( a%c == 0 )
      return 0;
  }
  return 1;
}

使用以下命令生成 .so (shared object)文件

gcc -shared -o prime.so -fPIC prime.c

import ctypes
import math
from timeit import timeit
check_prime_in_c = ctypes.CDLL('./prime.so').check_prime


def check_prime_in_py(x):
  values = xrange(2, int(math.sqrt(x)) + 1)
  for i in values:
    if x % i == 0:
      return False
  return True


def get_prime_in_c(n):
  return [x for x in xrange(2, n) if check_prime_in_c(x)]


def get_prime_in_py(n):
  return [x for x in xrange(2, n) if check_prime_in_py(x)]


py_time = timeit(stmt='get_prime_in_py(1000000)', setup='from __main__ import get_prime_in_py',
         number=10)
c_time = timeit(stmt='get_prime_in_c(1000000)', setup='from __main__ import get_prime_in_c',
        number=10)
print "Python version: {} seconds".format(py_time)

print "C version: {} seconds".format(c_time)

輸出

Python version: 43.4539749622 seconds
C version: 8.56250786781 seconds

我們可以看到很明顯的性能差距這里有更多的方法去判斷一個(gè)數(shù)是否是素?cái)?shù)

再來(lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)的例子快速排序

mylib.c

#include <stdio.h>

typedef struct _Range {
  int start, end;
} Range;

Range new_Range(int s, int e) {
  Range r;
  r.start = s;
  r.end = e;
  return r;
}

void swap(int *x, int *y) {
  int t = *x;
  *x = *y;
  *y = t;
}

void quick_sort(int arr[], const int len) {
  if (len <= 0)
    return;
  Range r[len];
  int p = 0;
  r[p++] = new_Range(0, len - 1);
  while (p) {
    Range range = r[--p];
    if (range.start >= range.end)
      continue;
    int mid = arr[range.end];
    int left = range.start, right = range.end - 1;
    while (left < right) {
      while (arr[left] < mid && left < right)
        left++;
      while (arr[right] >= mid && left < right)
        right--;
      swap(&arr[left], &arr[right]);
    }
    if (arr[left] >= arr[range.end])
      swap(&arr[left], &arr[range.end]);
    else
      left++;
    r[p++] = new_Range(range.start, left - 1);
    r[p++] = new_Range(left + 1, range.end);
  }
}

gcc -shared -o mylib.so -fPIC mylib.c

使用ctypes有一個(gè)麻煩點(diǎn)的地方是原生的C代碼使用的類(lèi)型可能跟Python不能明確的對(duì)應(yīng)上來(lái)。比如這里什么是Python中的數(shù)組？列表？還是 array 模塊中的一個(gè)數(shù)組。所以我們需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換

test.py

import ctypes
import time
import random

quick_sort = ctypes.CDLL('./mylib.so').quick_sort
nums = []
for _ in range(100):
  r = [random.randrange(1, 100000000) for x in xrange(100000)]
  arr = (ctypes.c_int * len(r))(*r)
  nums.append((arr, len(r)))

init = time.clock()
for i in range(100):
  quick_sort(nums[i][0], nums[i][1])
print "%s" % (time.clock() - init)

輸出

1.874907

與Python list 的 sort 方法進(jìn)行對(duì)比

import ctypes
import time
import random

quick_sort = ctypes.CDLL('./mylib.so').quick_sort
nums = []
for _ in range(100):
  nums.append([random.randrange(1, 100000000) for x in xrange(100000)])

init = time.clock()
for i in range(100):
  nums[i].sort()
print "%s" % (time.clock() - init)

輸出

2.501257

至于結(jié)構(gòu)體，需要定義一個(gè)類(lèi)，包含相應(yīng)的字段和類(lèi)型

class Point(ctypes.Structure):
  _fields_ = [('x', ctypes.c_double),
        ('y', ctypes.c_double)]

除了導(dǎo)入我們自己寫(xiě)的C語(yǔ)言擴(kuò)展文件，我們還可以直接導(dǎo)入系統(tǒng)提供的庫(kù)文件，比如linux下c標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的實(shí)現(xiàn) glibc

import time
import random
from ctypes import cdll
libc = cdll.LoadLibrary('libc.so.6') # Linux系統(tǒng)
# libc = cdll.msvcrt # Windows系統(tǒng)
init = time.clock()
randoms = [random.randrange(1, 100) for x in xrange(1000000)]
print "Python version: %s seconds" % (time.clock() - init)
init = time.clock()
randoms = [(libc.rand() % 100) for x in xrange(1000000)]
print "C version : %s seconds" % (time.clock() - init)

輸出

Python version: 0.850172 seconds
C version : 0.27645 seconds

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家學(xué)習(xí)或使用Python能有一定的幫助，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流。

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