详解如何利用Cython为Python代码加速

Velika ·

更新时间:2024-11-10

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引言

通常，在 Python 中写循环（特别是多重循环）非常的慢，在文章 //www.jb51.net/article/133807.htm中，我们的元胞自动机的状态更新函数 update_state 使用了两重循环，所以我们尝试用 Cython 重构该方法。

代码

我们在同文件夹下新建一个 update.pyx 文件，写入如下内容


import numpy as np 
cimport numpy as np 
cimport cython
DTYPE = np.float
ctypedef np.float_t DTYPE_t
def update_state(np.ndarray[DTYPE_t, ndim=2] cells):
  return update_state_c(cells)
@cython.boundscheck(False)
@cython.wraparound(False)
cdef np.ndarray[DTYPE_t, ndim=2] update_state_c(np.ndarray[DTYPE_t, ndim=2] cells):
  """更新一次状态"""
  cdef unsigned int i
  cdef unsigned int j
  cdef np.ndarray[DTYPE_t, ndim=2] buf = np.zeros((cells.shape[0], cells.shape[1]), dtype=DTYPE)
  cdef DTYPE_t neighbor_num
  for i in range(1, cells.shape[0] - 1):
    for j in range(1, cells.shape[0] - 1):
      # 计算该细胞周围的存活细胞数
      neighbor_num = cells[i, j-1] + cells[i, j+1] + cells[i+1, j] + cells[i-1, j] +\
              cells[i-1, j-1] + cells[i-1, j+1] +\
              cells[i+1, j-1] + cells[i+1, j+1]
      if neighbor_num == 3:
        buf[i, j] = 1
      elif neighbor_num == 2:
        buf[i, j] = cells[i, j]
      else:
        buf[i, j] = 0
  return buf

update_state_c 函数上的两个装饰器是用来关闭 Cython 的边界检查的。

在同文件下新建一个 setup.py 文件


import numpy as np
from distutils.core import setup
from Cython.Build import cythonize
setup(
  name="Cython Update State",
  ext_modules=cythonize("update.pyx"),
  include_dirs=[np.get_include()]
)

因为在 Cython 文件中使用了 NumPy 的头文件，所以我们需要在 setup.py 将其包含进去。

执行 python setup.py build_ext --inplace 后，同文件夹下会生成一个 update.cp36-win_amd64.pyd 的文件，这就是编译好的 C 扩展。

我们修改原始的代码，首先在文件头部加入 import update as cupdate，然后修改更新方法如下


def update_state(self):
  """更新一次状态"""
  self.cells = cupdate.update_state(self.cells)
  self.timer += 1

将原方法名就改为 update_state_py 即可，运行脚本，无异常。

测速

我们编写一个方法来测试一下使用 Cython 可以带来多少速度的提升


def test_time():
  import time
  game = GameOfLife(cells_shape=(60, 60))
  t1 = time.time()
  for _ in range(300):
    game.update_state()
  t2 = time.time()
  print("Cython Use Time:", t2 - t1)
  del game
  game = GameOfLife(cells_shape=(60, 60))
  t1 = time.time()
  for _ in range(300):
    game.update_state_py()
  t2 = time.time()
  print("Native Python Use Time:", t2 - t1)

运行该方法，在我的电脑上输出如下