初用C/C++擴展Python，提高性能

    前段時間寫了兩篇文章介紹如何提高Python的運行效率，一篇是從python語言本身的角度去介紹的，另一篇是從解釋器角度(利用PyPy)，有興趣的可以找著看看。從另外一個角度來介紹如何提高python運行效率，那就是利用c/c++來擴展python提高性能。我們知道python官方網站上下載的python解釋器源碼是用c語言編寫的，所以，也可以利用c/c++來擴展它，以獲得較優(yōu)的執(zhí)行性能。Python提供了API接口，是我們很方便的能進行擴展，所有這些API都包含在Python.h的頭文件里，在編寫c代碼時引入該頭文件即可。下面來講講我初用c/c++擴展python的經歷吧。申明所有系統(tǒng)Ubuntu 16.04 LTS。

（一）Ubuntu下如何編譯.c文件

    說實話，進行這部分學習時，第一困擾我的問題就是不知道怎么在Ubuntu下編譯.c文件，以前在大學的時候，用的是Windows系統(tǒng)，安裝了visual studio 2010，代碼編寫，編譯都很方便。沒有在Ubuntu下用c語言開發(fā)，所以這部分知道還不太了解，好在網上資料非常豐富，很快就能找到相應的資料。其實Ubuntu系統(tǒng)自帶c語言編譯器，那就是gcc。不信你可以打開終端，輸入命名：gcc --version，顯示如下信息：

如果沒有的話，你也可自己安裝,安裝命令如下：

sudo apt-get install gcc

建議還要安裝一個build-essentiall包，作用是提供編譯程序必須軟件包的列表信息，也就是說 編譯程序有了這個軟件包它才知道 頭文件在哪 ，才知道庫函數(shù)在哪，還會下載依賴的軟件包 ， 最后才組成一個開發(fā)環(huán)境。

好了，現(xiàn)在寫個簡單的.c文件吧。

打開終端，輸入命令vim hello.c,當然，你也可以用gedit來編輯代碼，只要文件擴展名不搞錯了就行。代碼如下：

#include<stdio.h>
int main()
{
int i;
for(i=0;i<3;i++)
printf("hello,gcc!\n");
}

然后保存文件并退出。編譯成可執(zhí)行文件，命令如下：

gcc hello.c -o hello

然后輸入./hello執(zhí)行該文件。效果如下圖。

這里只是簡單的講了一下linux的gcc的使用方法，關于它更多的用法可以在網上查資料，在此不做過多介紹。

（二）使用C/C++擴展Python

1.先利用Python提供的接口，編寫一個漢語一定功能.c文件，比如判斷一個數(shù)是不是素數(shù)。在這里文件名為test.c，使用c語言實現(xiàn)后再使用Python進行包裝。代碼如下：

#include<Python.h>
static PyObject *pr_isprime(PyObject *self,PyObject *args){
    int n,num;
    if(!PyArg_ParseTuple(args,"i",&num))
        return NULL;
    if(num<1){
        return Py_BuildValue("i",0);
    }
    n=num-1;
    while(n>1){
        if(num%n==0)
            return Py_BuildValue("i",0);
            n--;
    }
    return Py_BuildValue("i",1);
}

static PyMethodDef PrMethods[]={
    {"isPrime",pr_isprime,METH_VARARGS,"check if an input numbe is prime or not."},
    {NULL,NULL,0,NULL}
};

void initpr(void){
    (void) Py_InitModule("pr",PrMethods);
}

PyObject是Python對象機制的基礎，所有得對象都擁有一些相同的內容，而這些內容在PyObject中定義。

上面的代碼包括三部分：

一是導出函數(shù)，C模塊對外暴露的接口函數(shù)pr_isprime，帶有self和args兩個參數(shù)，其中參數(shù)args中包含了python解釋器要傳遞給c函數(shù)的所有參數(shù)，通常使用PyArg_ParseTuple()來獲得這些參數(shù)。

二是初始化函數(shù)，以便python解釋器能夠對模塊進行初始化，初始化時要以init開頭，如initx。

第三是方法列表，提供給外部的python程序使用的一個C模塊函數(shù)名稱映射表PrMethods。它是一個PyMethodDef結構體，其中成員依次表示方法名、導出函數(shù)、參數(shù)傳遞方式和方法描述。

參數(shù)傳遞方式一般設置為METH_VARARGS，如果想傳遞關鍵字參數(shù)，你可以讓它與MRTH_KEYWORDS進行或運算；如果不想接受任何參數(shù)，可以用METH_NOARGS，該結構體必須以{NULL,NULL,0,NULL}所表示的一條空記錄結尾。

至于為什么這樣做，可能與Python.h里面的函數(shù)有關，該部分我還未仔細研究，所以這篇文章也叫題目用了“初用”，如果有以后弄清楚了，我會“再用”，與大家分享學習經驗。

2.編寫setup.py腳本

代碼如下：

rom distutils.core import setup,Extension
module = Extension('pr',sources=['test.c'])
setup(name='Pr test',version = '1.0',ext_modules=[module])

 distutils包是可以用來在Python環(huán)境中構建和安裝額外的模塊。新的模塊可以是純Python的，也可以是用C/C++寫的擴展模塊，或者可以是Python包，包中包含了由C和Python編寫的模塊。在此不做過多介紹，有興趣可以在網上找資料了解下。

3.使用python setup.py build進行編譯，系統(tǒng)會自動在當前目錄生成一個build子目錄，里面包含一個.so文件、.o文件?？纯次业牟僮鹘Y果吧

執(zhí)行python setup.py build命令后，系統(tǒng)確實在當前目錄生成了一個build子目錄，并且有一個.so文件、.o文件。

4.將生成的.so文件復制到/usr/local/lib/python2.7/dist-packages下，或者將.so文件所在目錄路徑添加到sys.path中，然后就可以使用該C擴展模塊了。如下圖：

（三）簡單測試下性能

代碼如下：

#coding=utf-8
import pr
import datetime
def is_prime(n):
    if n <= 1:#
        return False
    else:
        a = n - 1
        while(a > 1):
            if n % a == 0:
                return True
            a = a - 1
        return False
t1 = datetime.datetime.now()
is_prime(8888888)
t2 = datetime.datetime.now()
pr.isPrime(8888888)
t3 = datetime.datetime.now()
print t3 - t2,t2 - t1

其中is_prime()是用python寫的判斷一個正數(shù)是不是素數(shù)。它的循環(huán)算法與pr模塊里面的isPrime()是一樣的，但是效率卻有很大差異，看看下圖運行結果。

很顯然用c擴展的那個包里的函數(shù)計算速度快而且是塊近20倍，數(shù)值越大，速度上的差距越大，有興趣的話，可以動手試下。當然這只是一個定性分析。