博客

Python 扩展简单循环

  • Post category:Python

Python扩展模块是Python和其他语言（如C、C++）之间的桥梁，能够使Python程序员利用其他语言实现的高性能函数和库。在Python中使用扩展模块可以大幅提高代码的性能，例如对于循环操作，使用C语言编写的扩展模块可以提供更高效的实现方式。

下面介绍如何使用Python扩展模块实现简单循环操作：

安装Python扩展模块

在Python中，常用的扩展模块有Cython、Ctypes、SWIG等，其中Cython是基于Python语言的扩展模块，可以将Python代码转换成C代码，从而提供更高效的执行方式。在安装Cython之前需要先安装C编译器，以便将转换后的C代码编译成可执行的程序。

使用pip安装Cython：

pip install Cython

编写扩展模块

首先，在Python中使用循环语句实现数值计算时，通常会遇到效率低下的问题。比如，计算一个较大的数组中每个元素的平方和，使用Python的for循环语句会非常慢，代码如下：

import time

def sum_squares(n):
    start = time.time()
    result = 0
    for i in range(n):
        result += i*i
    end = time.time()
    print("sum_squares Python time:", end-start)
    return result

print(sum_squares(100000))

上述代码通过for循环语句遍历n个元素，计算每个元素的平方，最后将结果相加并返回。执行时间较长，不适用于处理较大的数据量。

接下来，我们使用Cython编写一个简单的扩展模块，用于计算数值数组的平方和。步骤如下：

  1. 创建Cython扩展模块文件

首先，在Python中创建一个.pyx的文件，编写Cython代码，如下所示：

cdef extern from "math.h":
    double pow(double x, double y)

def sum_squares_cyth(long n):
    result = 0
    for i in range(n):
        result += pow(i, 2)
    return result

上述代码定义了一个名为sum_squares_cyth的Python函数，它接受一个long类型的参数n，表示要计算平方和的数据个数。在函数体中，使用for循环语句遍历每个元素，调用C语言库函数pow计算每个元素的平方，最后将结果相加并返回。

  1. 构建扩展模块

使用如下命令构建Python扩展模块：

python -m cython -3 sum_squares_cyth.pyx
gcc -shared -fPIC -o sum_squares_cyth.so sum_squares_cyth.c
  1. 调用扩展模块

在Python代码中导入扩展模块，并使用sum_squares_cyth函数计算平方和，代码如下：

import time
from sum_squares_cyth import sum_squares_cyth

def sum_squares_cyth_test(n):
    start = time.time()
    result = sum_squares_cyth(n)
    end = time.time()
    print("sum_squares_cyth time:", end-start)
    return result

print(sum_squares_cyth_test(100000))

上述代码通过导入sum_squares_cyth模块，调用sum_squares_cyth函数来计算数值数组的平方和。通过比较Python循环和Cython循环的执行时间，可以看出Cython循环的执行速度比Python循环快很多。

此外，还可以通过使用Python内置的array模块来存储数值数组，进一步提高计算效率。示例代码如下：

import time
import array
from sum_squares_cyth import sum_squares_cyth

def sum_squares_cyth_array(n):
    a = array.array('d', [0]*n)
    for i in range(n):
        a[i] = i
    start = time.time()
    result = sum_squares_cyth(n)
    end = time.time()
    print("sum_squares_cyth_array time:", end-start)
    return result

print(sum_squares_cyth_array(100000))

上述代码通过使用Python内置的array模块创建一个d类型数组，存储n个元素。使用for循环语句遍历每个元素，将其存储到数组中。最后，调用sum_squares_cyth函数计算平方和，并比较执行时间。可以看出，使用array模块可以进一步加速循环操作。

Tags: