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Python優(yōu)化技巧之利用ctypes提高執(zhí)行速度

更新時間：2016年09月11日 09:18:53 投稿：hebedich

ctypes是Python的一個外部庫，提供和C語言兼容的數(shù)據(jù)類型，可以很方便地調(diào)用C DLL中的函數(shù)。今天我們就來詳細(xì)探討下ctypes庫的使用技巧

首先給大家分享一個個人在使用python的ctypes調(diào)用c庫的時候遇到的一個小坑

這次出問題的地方是一個C函數(shù)，返回值是malloc生成的字符串地址。平常使用也沒問題，也用了有段時間，沒發(fā)現(xiàn)什么異常。

這次在測試中，發(fā)現(xiàn)使用這個過程會出現(xiàn)“段錯誤”，造成程序退出了。

經(jīng)過排查，確定問題原因是C函數(shù)的返回值問題，ctypes默認(rèn)的函數(shù)返回類型是int類型。

需要在使用中設(shè)置返回類型，例如：

func.restype = c_char_p

下面我們就來詳細(xì)探討下ctypes的使用小技巧

ctypes 庫可以讓開發(fā)者借助C語言進(jìn)行開發(fā)。這個引入C語言的接口可以幫助我們做很多事情,比如需要調(diào)用C代碼的來提高性能的一些小型問題。通過它你可以接入Windows系統(tǒng)上的 kernel32.dll 和 msvcrt.dll 動態(tài)鏈接庫,以及Linux系統(tǒng)上的 libc.so.6 庫。當(dāng)然你也可以使用自己的編譯好的共享庫

我們先來看一個簡單的例子我們使用 Python 求 1000000 以內(nèi)素數(shù)，重復(fù)這個過程10次，并計算運行時間。

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)

Output

42.8259568214

下面用C語言寫一個的 check_prime 函數(shù),然后把它當(dāng)作共享庫(動態(tài)鏈接庫)導(dǎo)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)

Output

Python version: 43.4539749622 seconds
C version: 8.56250786781 seconds

我們可以看到很明顯的性能差距這里有更多的方法去判斷一個數(shù)是否是素數(shù)

再來看一個復(fù)雜點的例子 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有一個麻煩點的地方是原生的C代碼使用的類型可能跟Python不能明確的對應(yīng)上來。比如這里什么是Python中的數(shù)組？列表？還是 array 模塊中的一個數(shù)組。所以我們需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換

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)

Output

1.874907

與Python list 的 sort 方法進(jìn)行對比

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)

Output

2.501257

至于結(jié)構(gòu)體，需要定義一個類，包含相應(yīng)的字段和類型

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

除了導(dǎo)入我們自己寫的C語言擴(kuò)展文件，我們還可以直接導(dǎo)入系統(tǒng)提供的庫文件，比如linux下c標(biāo)準(zhǔn)庫的實現(xiàn) glibc

import time
import random
from ctypes import cdll
libc = cdll.LoadLibrary('libc.so.6') # Linux系統(tǒng)
# libc = cdll.msvcrt # Windows系統(tǒng)
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)

Output

Python version: 0.850172 seconds
C version : 0.27645 seconds

以上都是ctypes的基本技巧，對普通的開發(fā)人員來說，基本夠用了

更詳細(xì)的說明請參考：http://docs.python.org/library/ctypes.html

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