Cython 让Python变得更快

1 Cython 概述

根据百度百科和Cython官网（http://docs.cython.org）的文档，Cython可以看作是一种编程语言，是Python语言的一个超集，目标是构建一个高级、面向对象、函数式和动态编程语言。Cython主要特性是支持可选的静态类型声明，这样可以将Python源码解析为C或C++代码，并编译为Python扩展模块。这种特征可以非常方便的将Python与外部C库的进行集成和交互，同时保留Python语言的简单性。总之一句话，Cython可以综合Python的易用性和C语言的高效率。

注意：这里需要注意Cython和CPython的区别，前者是一种编程语言，而CPython是C语言编写的Python解析器。

2 Cython 安装

Cython的安装前置条件是需要一个C编译器，不同的操作系统需要的C编译器一般不同。下面给出不同操作系统的C编译器安装环境：

Linux操作系统：可以非常方便的安装C编译器 gcc，一般在开发环境中都自带此包，如果没有，可以通过在线安装完成。比如在Ubuntu操作系统上，可以执行sudo apt get install build sential命令获取gcc。

Mac OS X操作系统 ：建议通过安装XCode工具来完成C编译器gcc的安装，或者从网站上单独下载完成安装。

Windows操作系统：需要安装Microsoft Visual C/C++（MSVC）或开源的MinGW（gcc的Windows发行版）。

关于Cython需要的C编译器环境的安装，这里不再赘述。下面以Ubuntu操作系统为例来说明如何安装Cython库。这里已经完成了Python3的基本环境搭建，可以执行如下命令：

#安装pip apt install python3-pip #升级pip pip3.6 install pip --upgrade #安装Cython pip3.6 install Cython

如果pip环境之前已经构建好，则可以直接执行 pip3.6 install Cython 即可，或者如果Python环境搭建不同，也可以执行pip3 install Cython或者pip3.7 install Cython。这里需要根据自己的实际情况来决定。

3 PyCharm安装

这里我们介绍一下如何在Ubuntu操作系统上安装Python开发工具PyCharm，这里可以下载社区版即可。Ubuntu操作系统上下载的是一个压缩包，解压后即可使用，可以通过浏览器进行下载，我这里的具体界面如下所示:

下载完成后，可以将此 pycharm-community-2021.2.3.tar.gz 压缩文件移动到需要的目录中，并切换到当前目录后，执行如下命令进行解压安装：

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

解压后，进入目录，然后再进入bin目录，具体执行如下命令即可启动程序：

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

启动界面后，需要同意相关协议，并可以创建项目，这里需要配置Python解析器环境，这里需要根据实际情况进行设置。界面如下所示：

至此，我们的开发环境就基本构建完成了。这里可以创建一个Python项目备用。

4 Cython 编译过程

这里我们可以参考官网 http://docs.cython.org/en/latest/src/quickstart/build.html 的文档，一般来说，Cython编译过程主要由下面的2步骤构成：

（1）首先将Python源码（ .py 或 .pyx 文件）通过Cython编译器翻译为 .c 文件, 此文件包含Python扩展模块（ extension module）

（2）将第一步生成的 .c 文件通过C编译器（gcc)编译为 .so 文件（Linux操作系统）或 .pyd 文件（Windows操作系统）。这些 .so 文件或 .pyd 文件可以直接被 Python通过模块进行导入。

这个过程一般需要编写一个setuptools 文件 setup.py 来完成。官网给出了一个 setup.py一般结构，具体如下所示：

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

这里参考官网 http://docs.cython.org/en/latest/src/quickstart/build.html 的文档，给出一个Cython入门的Hello示例，首先在PyCharm项目中添加一个hello.pyx文件，.pyx 文件是由 Cython 编程语言编写而成的 Python 扩展模块源代码文件，一般来说，不能直接被Python 识别，即不可导入。内容如下所示：

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

就是简单的定义了一个my_sum函数，传递一个参数n，在内部进行求和，并通过print打印。然后再添加一个安装工具setuptools 文件 setup.py，内容如下所示：

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

首先需要从setuptools模块中导入setup函数，同时从Cython.Build模块中导入cythonize方法，然后在setup函数中，通过 ext_modules=cythonize("hello.pyx")指定需要编译的扩展模块文件名。

然后执行如下命令进行编译：

python3.6 setup.py build_ext --inplace

执行成功后，会生成如下文件，结构如下所示：

为了对比性能，再添加一个hello03.py文件，内容如下所示：

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

与hello.pyx文件内容除了函数名不一致外，其他都是一样的。下面给出main.py文件内容：

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可以方便的进行时间统计，来评估代码的执行效率。第一个t1统计Cython编译过的hello模块中的方法my_sum执行时间，而第二个t2用来统计Python代码hello03模块的my_sum_02方法的执行时间。我这里的结果如下所示：

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

由此可见，此示例中的Cython编译过的代码执行效率会高一些。

gcc Python

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