利用ctypes提高Python的执行速度

前言

ctypes是Python的外部函数库。它提供了C兼容的数据类型，并且允许调用动态链接库/共享库中的函数。它可以将这些库包装起来给Python使用。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

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。

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)

输出

42.8259568214

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

#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)

输出

Python version: 43.4539749622 seconds
C version: 8.56250786781 seconds

我们可以看到很明显的性能差距 这里有更多的方法去判断一个数是否是素数

再来看一个复杂点的例子 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

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)

输出

1.874907

与Python list 的 sort 方法进行对比

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)

输出

2.501257

至于结构体，需要定义一个类，包含相应的字段和类型

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

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

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)

输出

Python version: 0.850172 seconds
C version : 0.27645 seconds

总结