Cython 讓Python變得更快

1 Cython 概述

根據百度百科和Cython官網（http://docs.cython.org）的文檔，Cython可以看作是一種編程語言，是Python語言的一個超集，目標是構建一個高級、面向對象、函數式和動態編程語言。Cython主要特性是支持可選的靜態類型聲明，這樣可以將Python源碼解析為C或C++代碼，并編譯為Python擴展模塊。這種特征可以非常方便的將Python與外部C庫的進行集成和交互，同時保留Python語言的簡單性。總之一句話，Cython可以綜合Python的易用性和C語言的高效率。

注意：這里需要注意Cython和CPython的區別，前者是一種編程語言，而CPython是C語言編寫的Python解析器。

2 Cython 安裝

Cython的安裝前置條件是需要一個C編譯器，不同的操作系統需要的C編譯器一般不同。下面給出不同操作系統的C編譯器安裝環境：

Linux操作系統：可以非常方便的安裝C編譯器 gcc，一般在開發環境中都自帶此包，如果沒有，可以通過在線安裝完成。比如在Ubuntu操作系統上，可以執行sudo apt get install build sential命令獲取gcc。

Mac OS X操作系統 ：建議通過安裝XCode工具來完成C編譯器gcc的安裝，或者從網站上單獨下載完成安裝。

Windows操作系統：需要安裝Microsoft Visual C/C++（MSVC）或開源的MinGW（gcc的Windows發行版）。

關于Cython需要的C編譯器環境的安裝，這里不再贅述。下面以Ubuntu操作系統為例來說明如何安裝Cython庫。這里已經完成了Python3的基本環境搭建，可以執行如下命令：

#安裝pip apt install python3-pip #升級pip pip3.6 install pip --upgrade #安裝Cython pip3.6 install Cython

如果pip環境之前已經構建好，則可以直接執行 pip3.6 install Cython 即可，或者如果Python環境搭建不同，也可以執行pip3 install Cython或者pip3.7 install Cython。這里需要根據自己的實際情況來決定。

3 PyCharm安裝

這里我們介紹一下如何在Ubuntu操作系統上安裝Python開發工具PyCharm，這里可以下載社區版即可。Ubuntu操作系統上下載的是一個壓縮包，解壓后即可使用，可以通過瀏覽器進行下載，我這里的具體界面如下所示:

下載完成后，可以將此 pycharm-community-2021.2.3.tar.gz 壓縮文件移動到需要的目錄中，并切換到當前目錄后，執行如下命令進行解壓安裝：

tar -zxvf pycharm-community-2021.2.3.tar.gz

解壓后，進入目錄，然后再進入bin目錄，具體執行如下命令即可啟動程序：

cd pycharm-community-2021.2.3 cd bin ls ################################################# brokenPlugins.db idea.properties ltedit.sh pycharm.sh format.sh inspect.sh printenv.py pycharm.svg fsnotifier libdbm64.so pycharm64.vmoptions restart.py icons.db log.xml pycharm.png ################################################# .\pycharm.sh

啟動界面后，需要同意相關協議，并可以創建項目，這里需要配置Python解析器環境，這里需要根據實際情況進行設置。界面如下所示：

至此，我們的開發環境就基本構建完成了。這里可以創建一個Python項目備用。

4 Cython 編譯過程

這里我們可以參考官網 http://docs.cython.org/en/latest/src/quickstart/build.html 的文檔，一般來說，Cython編譯過程主要由下面的2步驟構成：

（1）首先將Python源碼（ .py 或 .pyx 文件）通過Cython編譯器翻譯為 .c 文件, 此文件包含Python擴展模塊（ extension module）

（2）將第一步生成的 .c 文件通過C編譯器（gcc)編譯為 .so 文件（Linux操作系統）或 .pyd 文件（Windows操作系統）。這些 .so 文件或 .pyd 文件可以直接被 Python通過模塊進行導入。

這個過程一般需要編寫一個setuptools 文件 setup.py 來完成。官網給出了一個 setup.py一般結構，具體如下所示：

from setuptools import setup from Cython.Build import cythonize setup( name='Hello world app', ext_modules=cythonize("hello.pyx"), zip_safe=False, )

5 Cython Hello示例

這里參考官網 http://docs.cython.org/en/latest/src/quickstart/build.html 的文檔，給出一個Cython入門的Hello示例，首先在PyCharm項目中添加一個hello.pyx文件，.pyx 文件是由 Cython 編程語言編寫而成的 Python 擴展模塊源代碼文件，一般來說，不能直接被Python 識別，即不可導入。內容如下所示：

def my_sum(n): s = 0 for i in range(n + 1): s += i print("sum(", n, ")=>", s)

就是簡單的定義了一個my_sum函數，傳遞一個參數n，在內部進行求和，并通過print打印。然后再添加一個安裝工具setuptools 文件 setup.py，內容如下所示：

from setuptools import setup from Cython.Build import cythonize setup( name='Cython Hello Demo', ext_modules=cythonize("hello.pyx"), zip_safe=False, )

首先需要從setuptools模塊中導入setup函數，同時從Cython.Build模塊中導入cythonize方法，然后在setup函數中，通過 ext_modules=cythonize("hello.pyx")指定需要編譯的擴展模塊文件名。

然后執行如下命令進行編譯：

python3.6 setup.py build_ext --inplace

執行成功后，會生成如下文件，結構如下所示：

為了對比性能，再添加一個hello03.py文件，內容如下所示：

def my_sum_02(n): s = 0 for i in range(n + 1): s += i print("my_sum_02(", n, ")=>", s)

與hello.pyx文件內容除了函數名不一致外，其他都是一樣的。下面給出main.py文件內容：

import timeit if __name__ == '__main__': t1 = timeit.Timer("my_sum(1000)", "from hello import my_sum") print(t1.timeit(10000)) t2 = timeit.Timer("my_sum_02(1000)", "from hello03 import my_sum_02") print(t2.timeit(10000))

其中的timeit可以方便的進行時間統計，來評估代碼的執行效率。第一個t1統計Cython編譯過的hello模塊中的方法my_sum執行時間，而第二個t2用來統計Python代碼hello03模塊的my_sum_02方法的執行時間。我這里的結果如下所示：

1.0714793549996102 +++++++++++++++++ 1.9462227089989028

由此可見，此示例中的Cython編譯過的代碼執行效率會高一些。

gcc Python

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