Python利用ctypes提高执行速度

ctypes 库可以让开发者借助C语言进行开发。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)

Output

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)

Output

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)

Output

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)

Output

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)

Output

Python version: 0.850172 seconds
C version : 0.27645 seconds

来自：http://dreamfever.ml/pythonli-yong-ctypesti-gao-zhi-xing-su-du/