CPython教程

青旅半醒 2022-01-10 01:55 283阅读 0赞

# CPython-Tutorial-zh #

[中文CPython教程][CPython]

## 简述 ##

Python有时候太慢，如果手动编译C或者是C++来写`#include<Python.h>`的文件也比较麻烦。  
CPython无疑是一个比较好的选择。

> 这篇教程是基于
> 
>  *  [https://cython.readthedocs.io/en/latest/src/tutorial/cython\_tutorial.html][https_cython.readthedocs.io_en_latest_src_tutorial_cython_tutorial.html]  
>     同时也参考了 [http://docs.cython.org/en/latest/][http_docs.cython.org_en_latest]
>  *  但我会在这个的基础上做一些补充。  
>     同样，这个项目，我会持续更新到github上
>  *  [https://github.com/Sean16SYSU/CPython-Tutorial-zh][CPython]

### 改进的理由 ###

> 来源于link1的

1.  每一行的计算量很少，因此python解释器的开销就会变的很重要。
2.  数据的局部性原理：很可能是，当使用C的时候，更多的数据可以塞进CPU的cache中，因为Python的元素都是Object，而每个Object都是通过字典实现的，cache对这个数据不很友好。

## 项目 ##

### Hello World项目 ###

第一个项目是Hello world。

创建一个文件`helloworld.pyx`，内容如下：

print("Hello world!")

保存后，创建`setup.py`文件，内容如下：

from distutils.core import setup
    from Cython.Build import cythonize
    
    setup(
        ext_modules = cythonize("helloworld.pyx")
    )

保存后，命令行进入`setup.py`所在目录，并输入`python setup.py build_ext --inplace`，如下：

PS D:\Code\CPython\Test> python setup.py build_ext --inplace
    Compiling helloworld.pyx because it changed.
    [1/1] Cythonizing helloworld.pyx
    running build_ext
    building 'helloworld' extension
    creating build
    creating build\temp.win-amd64-3.6
    creating build\temp.win-amd64-3.6\Release
    C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\bin\HostX86\x64\cl.exe /c /nologo /Ox /W3 /GL /DNDEBUG /MD -IC:\Users\lijy2\AppData\Local\Programs\Python\Python36\include -IC:\Users\lijy2\AppData\Local\Programs\Python\Python36\include "-IC:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\ATLMFC\include" "-IC:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\include" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\NETFXSDK\4.6.1\include\um" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\include\10.0.16299.0\ucrt" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\include\10.0.16299.0\shared" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\include\10.0.16299.0\um" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\include\10.0.16299.0\winrt" "-IC:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\include\10.0.16299.0\cppwinrt" /Tchelloworld.c /Fobuild\temp.win-amd64-3.6\Release\helloworld.obj
    helloworld.c
    C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\bin\HostX86\x64\link.exe /nologo
    /INCREMENTAL:NO /LTCG /DLL /MANIFEST:EMBED,ID=2 /MANIFESTUAC:NO /LIBPATH:C:\Users\lijy2\AppData\Local\Programs\Python\Python36\libs /LIBPATH:C:\Users\lijy2\AppData\Local\Programs\Python\Python36\PCbuild\amd64 "/LIBPATH:C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\ATLMFC\lib\x64" "/LIBPATH:C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2017\Community\VC\Tools\MSVC\14.13.26128\lib\x64" "/LIBPATH:C:\Program Files (x86)\Windows Kits\NETFXSDK\4.6.1\lib\um\x64" "/LIBPATH:C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\lib\10.0.16299.0\ucrt\x64" "/LIBPATH:C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\lib\10.0.16299.0\um\x64" /EXPORT:PyInit_helloworld build\temp.win-amd64-3.6\Release\helloworld.obj /OUT:D:\Code\CPython\Test\helloworld.cp36-win_amd64.pyd /IMPLIB:build\temp.win-amd64-3.6\Release\helloworld.cp36-win_amd64.lib
      正在创建库 build\temp.win-amd64-3.6\Release\helloworld.cp36-win_amd64.lib 和对象 build\temp.win-amd64-3.6\Release\helloworld.cp36-win_amd64.exp
    正在生成代码
    已完成代码的生成

在该目录下的命令行进入Python操作界面，导入包之后，就会自动输出`Hello world!`，如下：

PS D:\Code\CPython\Test> python
    Python 3.6.6 (v3.6.6:4cf1f54eb7, Jun 27 2018, 03:37:03) [MSC v.1900 64 bit (AMD64)] on win32
    Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
    >>> import helloworld
    Hello world!

这就完成了一个简单的CPython的扩展书写。下面再举例子。

### Fibonacci Function项目 ###

斐波那契数列：1, 1, 2, 3, 5,…  
前两位为1，之后每个数等于前面两个数之和。

创建`fib.pyx`，内容如下：

from __future__ import print_function
    
    def fib(n):
        a, b = 0, 1
        while b < n:
            print(b, end=' ')
            a, b = b, a + b
        print()

创建`setup.py`文件，内容如下：

from distutils.core import setup
    from Cython.Build import cythonize
    
    setup(
        ext_modules = cythonize("fib.pyx")
    )

通过命令`python setup.py build_ext --inplace`，生成出来的文件：

import fib
    fib.fib(100)

输出：

1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89

*  但是经过测试之后，发现速度并没有很高的提升，很可能是操作本来就很简单，数值也很小，没什么优化的空间了。

### Primes项目 ###

给一个数值n，输出前n个质数（list）。

写到`primes.pyx`中：

def primes(int nb_primes):
        cdef int n, i, len_p
        cdef int p[1000]
        if nb_primes > 1000:
            nb_primes = 1000
        
        len_p = 0
        n = 2
        while len_p < nb_primes:
            for i in p[:len_p]:
                if n % i == 0:
                    break
            else:
                p[len_p] = n
                len_p += 1
            n += 1
        result_as_list = [prime for prime in p[:len_p]]
        return result_as_list

同理，`setup.py`文件内容为：

from distutils.core import setup
    from Cython.Build import cythonize
    
    setup(
        ext_modules = cythonize("primes.pyx")
    )

在参考的link中给出了测试的案例，有些解释的不太好，我这边描述一下

*  直接使用Python实现版本，平均用时23ms
 *  Python版本用CPython编译(对，直接把Python文件名字像pyx一样放进去就好了)， 平均用时11ms
 *  pyx的CPython编译版本，平均用时1.6ms

### Stat项目 ###

注意，这里不能直接使用stat，因为似乎是有这个库了emmmm

`stat_.pyx`:

from libc.math cimport sqrt
    
    def mean(list arr):
        cdef:
            int i
            int sz
            double tmp
        tmp = 0
        sz = len(arr)
        for i in range(sz):
            tmp += arr[i]
        return tmp / sz
    
    def std(list arr):
        cdef:
            double m = mean(arr)
            int sz, i
            double tmp
        sz = len(arr)
        tmp = 0
        for i in range(sz):
            tmp += (arr[i] - m) ** 2
        return sqrt(tmp)

`setup.py`:

from distutils.core import setup
    from Cython.Build import cythonize
    
    setup(
        ext_modules = cythonize("stat_.pyx")
    )

命令还是一样的：`python setup.py build_ext --inplace`

测试：

>>> import stat_
    >>> a = [1,2,3]
    >>> stat_.mean(a)
    2.0
    >>> stat_.std(a)
    1.4142135623730951

[CPython]: https://github.com/Sean16SYSU/CPython-Tutorial-zh
[https_cython.readthedocs.io_en_latest_src_tutorial_cython_tutorial.html]: https://cython.readthedocs.io/en/latest/src/tutorial/cython_tutorial.html
[http_docs.cython.org_en_latest]: http://docs.cython.org/en/latest/