加速你的Python代码

在我看来，python社区分为了三个流派，分别是python 2.x组织，3.x组织和PyPy组织。这个分类基本上可以归根于类库的兼容性和速度。这篇文章将聚焦于一些通用代码的优化技巧以及编译成C后性能的显著提升，当然我也会给出三大主要python流派运行时间。我的目的不是为了证明一个比另一个强，只是为了让你知道如何在不同的环境下使用这些具体例子作比较。

使用生成器

一个普遍被忽略的内存优化是生成器的使用。生成器让我们创建一个函数一次只返回一条记录，而不是一次返回所有的记录，如果你正在使用python2.x，这就是你为啥使用xrange替代range或者使用ifilter替代filter的原因。一个很好地例子就是创建一个很大的列表并将它们拼合在一起。

1. import timeit  
2. import random  
3.    
4. def generate(num):  
5. while num:  
6. yield random.randrange(10)  
7. num -= 1 
8.    
9. def create_list(num):  
10. numbers = []  
11. while num:  
12. numbers.append(random.randrange(10))  
13. num -= 1 
14. return numbers  
15. print(timeit.timeit("sum(generate(999))", setup="from __main__ import generate", number=1000))  
16. >>> 0.88098192215 #Python 2.7  
17. >>> 1.416813850402832 #Python 3.2  
18. print(timeit.timeit("sum(create_list(999))", setup="from __main__ import create_list", number=1000))  
19. >>> 0.924163103104 #Python 2.7  
20. >>> 1.5026731491088867 #Python 3.2 

这不仅是快了一点，也避免了你在内存中存储全部的列表!

Ctypes的介绍

对于关键性的性能代码python本身也提供给我们一个API来调用C方法，主要通过 ctypes来实现，你可以不写任何C代码来利用ctypes。默认情况下python提供了预编译的标准c库，我们再回到生成器的例子，看看使用ctypes实现花费多少时间。

1. import timeit  
2. from ctypes import cdll  
3.    
4. def generate_c(num):  
5. #Load standard C library  
6. libc = cdll.LoadLibrary("libc.so.6") #Linux  
7. #libc = cdll.msvcrt #Windows  
8. while num:  
9. yield libc.rand() % 10 
10. num -= 1 
11.    
12. print(timeit.timeit("sum(generate_c(999))", setup="from __main__ import generate_c", number=1000))  
13. >>> 0.434374809265 #Python 2.7  
14. >>> 0.7084300518035889 #Python 3.2 

仅仅换成了c的随机函数，运行时间减了大半！现在如果我告诉你我们还能做得更好，你信吗?

Cython的介绍

Cython 是python的一个超集，允许我们调用C函数以及声明变量来提高性能。尝试使用之前我们需要先安装Cython.

sudo pip install cythonCython 本质上是另一个不再开发的类似类库Pyrex的分支，它将我们的类Python代码编译成C库，我们可以在一个python文件中调用。对于你的python文件使用.pyx后缀替代.py后缀，让我们看一下使用Cython如何来运行我们的生成器代码。

1. #cython_generator.pyx  
2. import random  
3.    
4. def generate(num):  
5. while num:  
6. yield random.randrange(10)  
7. num -= 1 

我们需要创建个setup.py以便我们能获取到Cython来编译我们的函数。

1. from distutils.core import setup  
2. from distutils.extension import Extension  
3. from Cython.Distutils import build_ext  
4.    
5. setup(  
6. cmdclass = {'build_ext': build_ext},  
7. ext_modules = [Extension("generator", ["cython_generator.pyx"])]  
8. )  

编译使用:

1. python setup.py build_ext --inplace 

你应该可以看到两个文件cython_generator.c 文件 和 generator.so文件，我们使用下面方法测试我们的程序:

1. import timeit  
2. print(timeit.timeit("sum(generator.generate(999))", setup="import generator", number=1000))  
3. >>> 0.835658073425 

还不赖，让我们看看是否还有可以改进的地方。我们可以先声明“num”为整形，接着我们可以导入标准的C库来负责我们的随机函数。

1. #cython_generator.pyx  
2. cdef extern from "stdlib.h":  
3. int c_libc_rand "rand"()  
4.    
5. def generate(int num):  
6. while num:  
7. yield c_libc_rand() % 10 
8. num -= 1 

如果我们再次编译运行我们会看到这一串惊人的数字。

1. >>> 0.033586025238 

仅仅的几个改变带来了不赖的结果。然而，有时这个改变很乏味，因此让我们来看看如何使用规则的python来实现吧。

PyPy的介绍

PyPy 是一个Python2.7.3的即时编译器，通俗地说这意味着让你的代码运行的更快。Quora在生产环境中使用了PyPy。PyPy在它们的下载页面有一些安装说明，但是如果你使用的Ubuntu系统，你可以通过apt-get来安装。它的运行方式是立即可用的，因此没有疯狂的bash或者运行脚本，只需下载然后运行即可。让我们看看我们原始的生成器代码在PyPy下的性能如何。

1. import timeit  
2. import random  
3.    
4. def generate(num):  
5. while num:  
6. yield random.randrange(10)  
7. num -= 1 
8.    
9. def create_list(num):  
10. numbers = []  
11. while num:  
12. numbers.append(random.randrange(10))  
13. num -= 1 
14. return numbers  
15. print(timeit.timeit("sum(generate(999))", setup="from __main__ import generate", number=1000))  
16. >>> 0.115154981613 #PyPy 1.9  
17. >>> 0.118431091309 #PyPy 2.0b1  
18. print(timeit.timeit("sum(create_list(999))", setup="from __main__ import create_list", number=1000))  
19. >>> 0.140175104141 #PyPy 1.9  
20. >>> 0.140514850616 #PyPy 2.0b1 

哇！没有修改一行代码运行速度是纯python实现的8倍。

进一步测试

为什么还要进一步研究？PyPy是冠军！并不全对。虽然大多数程序可以运行在PyPy上，但是还是有一些库没有被完全支持。而且，为你的项目写C的扩展相比换一个编译器更加容易。让我们更加深入一些，看看ctypes如何让我们使用C来写库。我们来测试一下归并排序和计算斐波那契数列的速度。下面是我们要用到的C代码（functions.c）：

1. /* functions.c */  
2. #include <stdio.h>  
3. #include <stdlib.h>  
4. #include <string.h>  
5.  
6. /* http://rosettacode.org/wiki/Sorting_algorithms/Merge_sort#C */  
7. inline void  
8. merge (int *left, int l_len, int *right, int r_len, int *out)  
9. {  
10.   int i, j, k;  
11.   for (i = j = k = 0; i < l_len && j < r_len;)  
12.     out[k++] = left[i] < right[j] ? left[i++] : right[j++];  
13.   while (i < l_len)  
14.     out[k++] = left[i++];  
15.   while (j < r_len)  
16.     out[k++] = right[j++];  
17. }  
18.  
19. /* inner recursion of merge sort */  
20. void  
21. recur (int *buf, int *tmp, int len)  
22. {  
23.   int l = len / 2;  
24.   if (len <= 1)  
25.     return;  
26. /* note that buf and tmp are swapped */  
27.   recur (tmp, buf, l);  
28.   recur (tmp + l, buf + l, len - l);  
29.   merge (tmp, l, tmp + l, len - l, buf);  
30. }  
31.  
32. /* preparation work before recursion */  
33. void  
34. merge_sort (int *buf, int len)  
35. {  
36. /* call alloc, copy and free only once */  
37.   int *tmp = malloc (sizeof (int) * len);  
38.   memcpy (tmp, buf, sizeof (int) * len);  
39.   recur (buf, tmp, len);  
40.   free (tmp);  
41. }  
42.  
43. int  
44. fibRec (int n)  
45. {  
46.   if (n < 2)  
47.     return n;  
48.   else 
49.     return fibRec (n - 1) + fibRec (n - 2);  
50. } 

在Linux平台，我们可以用下面的方法把它编译成一个共享库：

1. gcc -Wall -fPIC -c functions.c  
2. gcc -shared -o libfunctions.so functions.o 

使用ctypes， 通过加载"libfunctions.so"这个共享库，就像我们前边对标准C库所作的那样，就可以使用这个库了。这里我们将要比较Python实现和C实现。现在我们开始计算斐波那契数列：

1. # functions.py  
2.  
3. from ctypes import *  
4. import time  
5.    
6. libfunctions = cdll.LoadLibrary("./libfunctions.so")  
7.    
8. def fibRec(n):  
9.     if n < 2:  
10.         return n  
11.     else:  
12.         return fibRec(n-1) + fibRec(n-2)  
13.    
14. start = time.time()  
15. fibRec(32)  
16. finish = time.time()  
17. print("Python: " + str(finish - start))  
18.    
19. # C Fibonacci  
20. start = time.time()  
21. x = libfunctions.fibRec(32)  
22. finish = time.time()  
23. print("C: " + str(finish - start)) 

1. Python: 1.18783187866 #Python 2.7  
2. Python: 1.272292137145996 #Python 3.2  
3. Python: 0.563600063324 #PyPy 1.9  
4. Python: 0.567229032516 #PyPy 2.0b1  
5. C: 0.043830871582 #Python 2.7 + ctypes  
6. C: 0.04574108123779297 #Python 3.2 + ctypes  
7. C: 0.0481240749359 #PyPy 1.9 + ctypes  
8. C: 0.046403169632 #PyPy 2.0b1 + ctypes 

正如我们预料的那样，C比Python和PyPy更快。我们也可以用同样的方式比较归并排序。

我们还没有深挖Cypes库，所以这些例子并没有反映python强大的一面，Cypes库只有少量的标准类型限制，比如int型，char数组，float型，字节（bytes）等等。默认情况下，没有整形数组，然而通过与c_int相乘（ctype为int类型）我们可以间接获得这样的数组。这也是代码第7行所要呈现的。我们创建了一个c_int数组，有关我们数字的数组并分解打包到c_int数组中

主要的是c语言不能这样做，而且你也不想。我们用指针来修改函数体。为了通过我们的c_numbers的数列，我们必须通过引用传递merge_sort功能。运行merge_sort后，我们利用c_numbers数组进行排序，我已经把下面的代码加到我的functions.py文件中了。

1. #Python Merge Sort  
2. from random import shuffle, sample  
3.    
4. #Generate 9999 random numbers between 0 and 100000  
5. numbers = sample(range(100000), 9999)  
6. shuffle(numbers)  
7. c_numbers = (c_int * len(numbers))(*numbers)  
8.    
9. from heapq import merge  
10. def merge_sort(m):  
11. if len(m) <= 1:  
12. return m  
13. middle = len(m) // 2 
14. left = m[:middle]  
15. right = m[middle:]  
16. left = merge_sort(left)  
17. right = merge_sort(right)  
18. return list(merge(left, right))  
19.    
20. start = time.time()  
21. numbers = merge_sort(numbers)  
22. finish = time.time()  
23. print("Python: " + str(finish - start))  
24.    
25. #C Merge Sort  
26. start = time.time()  
27. libfunctions.merge_sort(byref(c_numbers), len(numbers))  
28. finish = time.time()  
29. print("C: " + str(finish - start)) 

1. Python: 0.190635919571 #Python 2.7  
2. Python: 0.11785483360290527 #Python 3.2  
3. Python: 0.266992092133 #PyPy 1.9  
4. Python: 0.265724897385 #PyPy 2.0b1  
5. C: 0.00201296806335 #Python 2.7 + ctypes  
6. C: 0.0019741058349609375 #Python 3.2 + ctypes  
7. C: 0.0029308795929 #PyPy 1.9 + ctypes  
8. C: 0.00287103652954 #PyPy 2.0b1 + ctypes 

这儿通过表格和图标来比较不同的结果。