Python利用ctypes提高执行速度

olnx6079 5年前
   <p>ctypes 库可以让开发者借助C语言进行开发。这个引入C语言的接口可以帮助我们做很多事情,比如需要调用C代码的来提高性能的一些小型问题。通过它你可以接入Windows系统上的 kernel32.dll 和 msvcrt.dll 动态链接库,以及Linux系统上的 libc.so.6 库。当然你也可以使用自己的编译好的共享库</p>    <p>我们先来看一个简单的例子 我们使用 Python 求 1000000 以内素数,重复这个过程10次,并计算运行时间。</p>    <pre>  <code class="language-python">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)</code></pre>    <p>Output</p>    <pre>  <code class="language-python">42.8259568214</code></pre>    <p>下面用C语言写一个的 check_prime 函数,然后把它当作共享库(动态链接库)导入</p>    <pre>  <code class="language-python">#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;  }</code></pre>    <p>使用以下命令生成 .so (shared object)文件</p>    <p>gcc -shared -o prime.so -fPIC prime.c</p>    <pre>  <code class="language-python">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)</code></pre>    <p>Output</p>    <pre>  <code class="language-python">Python version: 43.4539749622 seconds  C version: 8.56250786781 seconds</code></pre>    <p>我们可以看到很明显的性能差距 <em> <a href="/misc/goto?guid=4959714863779065757" rel="nofollow,noindex">这里</a> 有更多的方法去判断一个数是否是素数 </em></p>    <p>再来看一个复杂点的例子 快速排序</p>    <p>mylib.c</p>    <pre>  <code class="language-python">#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);      }  }</code></pre>    <p>gcc -shared -o mylib.so -fPIC mylib.c</p>    <p>使用ctypes有一个麻烦点的地方是原生的C代码使用的类型可能跟Python不能明确的对应上来。比如这里什么是Python中的数组?列表?还是 array 模块中的一个数组。所以我们需要进行转换</p>    <p>test.py</p>    <pre>  <code class="language-python">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)</code></pre>    <p>Output</p>    <p>1.874907</p>    <p>与Python list 的 sort 方法进行对比</p>    <pre>  <code class="language-python">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)</code></pre>    <p>Output</p>    <pre>  <code class="language-python">2.501257</code></pre>    <p>至于结构体,需要定义一个类,包含相应的字段和类型</p>    <pre>  <code class="language-python">class Point(ctypes.Structure):      _fields_ = [('x', ctypes.c_double),                  ('y', ctypes.c_double)]</code></pre>    <p>除了导入我们自己写的C语言扩展文件,我们还可以直接导入系统提供的库文件,比如linux下c标准库的实现 glibc</p>    <pre>  <code class="language-python">import time  import random  from ctypes import cdll  libc = cdll.LoadLibrary('libc.so.6')  # Linux系统  # libc = cdll.msvcrt # Windows系统  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)</code></pre>    <p>Output</p>    <pre>  <code class="language-python">Python version: 0.850172 seconds  C version : 0.27645 seconds</code></pre>    <p> </p>    <p>来自:http://dreamfever.ml/pythonli-yong-ctypesti-gao-zhi-xing-su-du/</p>    <p> </p>