Python優(yōu)化技巧之利用ctypes提高執(zhí)行速度

首先給大家分享一個(gè)個(gè)人在使用python的ctypes調(diào)用c庫(kù)的時(shí)候遇到的一個(gè)小坑

這次出問(wèn)題的地方是一個(gè)C函數(shù)，返回值是malloc生成的字符串地址。平常使用也沒(méi)問(wèn)題，也用了有段時(shí)間， 沒(méi)發(fā)現(xiàn)什么異常。

這次在測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)使用這個(gè)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)“段錯(cuò)誤”，造成程序退出了。

經(jīng)過(guò)排查， 確定問(wèn)題原因是C函數(shù)的返回值問(wèn)題，ctypes默認(rèn)的函數(shù)返回類(lèi)型是int類(lèi)型。

需要在使用中設(shè)置返回類(lèi)型，例如：

func.restype = c_char_p

下面我們就來(lái)詳細(xì)探討下ctypes的使用小技巧

ctypes 庫(kù)可以讓開(kāi)發(fā)者借助C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這個(gè)引入C語(yǔ)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(lái)提高性能的一些小型問(wèn)題。通過(guò)它你可以接入Windows系統(tǒng)上的 kernel32.dll 和 msvcrt.dll 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),以及Linux系統(tǒng)上的 libc.so.6 庫(kù)。當(dāng)然你也可以使用自己的編譯好的共享庫(kù)

我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子 我們使用 Python 求 1000000 以?xún)?nèi)素?cái)?shù)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程10次，并計(jì)算運(yùn)行時(shí)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(yǔ)言寫(xiě)一個(gè)的 check_prime 函數(shù),然后把它當(dāng)作共享庫(kù)(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))導(dǎo)入

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(gè)數(shù)是否是素?cái)?shù)

再來(lái)看一個(gè)復(fù)雜點(diǎn)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(gè)麻煩點(diǎn)的地方是原生的C代碼使用的類(lèi)型可能跟Python不能明確的對(duì)應(yīng)上來(lái)。比如這里什么是Python中的數(shù)組？列表？還是 array 模塊中的一個(gè)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(duì)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(gè)類(lèi)，包含相應(yīng)的字段和類(lèi)型    
class Point(ctypes.Structure):
  _fields_ = [('x', ctypes.c_double),
        ('y', ctypes.c_double)]

除了導(dǎo)入我們自己寫(xiě)的C語(yǔ)言擴(kuò)展文件，我們還可以直接導(dǎo)入系統(tǒng)提供的庫(kù)文件，比如linux下c標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的實(shí)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(duì)普通的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，基本夠用了