A taste of Cython

本文介绍Cython语言及其在加速Python代码执行方面的应用。通过三个示例演示了如何使用Cython提高代码运行速度,并展示了与纯Python实现之间的性能差异。

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最近尝试自己实现决策树,实现结果与sklearn的实现相比,速度上明显差一截。我用的sklearn.datasets中的load_digits作为训练数据。sklearn一秒左右就完成了训练,而我自己的实现则是花费了十几秒。所以就尝试阅读sklearn的源代码,看看是什么原因造成了差距,当然现在只是关注速度上的。

在阅读sklearn的源码过程中发现,sklearn不是纯python的实现。其中夹杂了一些.pyx.pxd为后缀的文件,搜索后知道这些文件是cython语言编写的。

什么是cython呢?刚开始我把cython和CPython给搞混了,CPython是用C语言实现的python解释器,而cython是python语言的一个超集,就和cpp和c的关系有些类似。作为python语言的超集,cython支持python的所有语法。但是既然已经有python了,为什么要搞一个cython呢?因为python太慢了。

举个例子,在python中,变量使用前不需要声明变量的类型,同一个变量名可以用不同的数据类型赋值,非常的灵活,这也是我喜欢python的原因之一,不需要程序员对变量的类型进行指定。既然程序员不指定变量的类型,那么python的解释器就自己检查,每次在对变量进行引用前,都对变量的类型做相应的检查,较少访问的变量还好,但是像for循环这种语句,可想而知这个效率会有多低。所以针对这一点,cython就在python的基础上扩展了类似C的语法,程序员可以为变量指定类型。一旦指定了变量类型,cython中的变量就不能像python中的那样赋予随意类型的数据了,但是随之而来的是效率上的提升。以上只是cython改进python的静态化改进的一方面。其实cython代码经过cython编译器编译后,会产生等价的C语言,但是实现同样一段功能,C语言要复杂得多,当然速度也快得多。当然还可以指定cython编译器产生相应平台的动态链接库,以供python调用。

说白了,cython就是为了利用C语言的优势,加速python的运行,但是又简化了C语言和python的复杂接口(正常情况下,编写能被python调用的C库,需要用C语言实现特定的python接口,非常复杂,查看cython编译产生的C文件就知道了),使得熟悉python但不熟悉C语言的程序员也可以比较轻松地利用C来加速python的执行。

原来sklearn的决策树实现利用了cython来加速,难怪比自己的纯python实现要快。不光是sklearn,其他常用的科学计算库比如numpy和pandas等都用了cython来加速。下面就通过几个例子来简单介绍一下如果用cython来加速代码的运行。

例子1 say hello

本case展示如何在python里调用cython编写的库函数,当然cython编写的功能函数是通过动态链接库的形式对python开放的。

步骤一:用cython编写功能。新建文件hello.pyx,实现say hello的功能

def say_hello_to(name):
    print("hello {}!".format(name))

步骤二:编译cython文件。(默认已经安装好了cython,pip install就行),命令行里输入一下命令

cythonize -b hello.pyx

其中cythonize的参数可以自行探究,这里的-b选项是在生成C语言的基础上,编译链接库。
命令执行的结果会在文件夹下生成一些文件,其中最重要的就是一下两个文件(以python3为例)

hello.cpython-36m-darwin.so
hello.c

这里的.so文件就包含了刚刚我们实现的say hello的功能。

步骤三:调用cython编写的库函数。新建文件test.py,注意,这是个普通的python文件。import会查找当前文件夹以hello开头的函数库,所以就会引入上面编译的结果

import hello

hello.say_hello_to("world")

终端输出:

hello world!

例子2 加速斐波那契数列生成

之前吹了cython能利用C语言的优势加速python的运行,本例就演示同样是生成斐波那契数列,python和cython的速度差异。

步骤一:新建文件fib.py,实现的功能就是生成斐波那契数列的第n位

def fib(n):
    a,b=1,1
    for i in range(n):
        a,b=a+b,a
    return a

步骤二:新建文件cy_fib.pyx。这里的语法就用了cython的扩展,而不是纯粹的python了。这里指定了几个变量的类型(具体的语法比如cdef、cpdef这些就感兴趣的人去补吧,我就不介绍了,本文就做简单的演示,文末有推荐的学习视频)

def fib(int n):
    cdef int i, a, b
    a,b=1,1
    for i in range(n):
        a,b=a+b,a
    return a

同样这个.pyx文件需要编译成链接库。在终端输入

cythonize -b cy_fib.pyx

就会生成cy_fib.cpython-36m-darwin.so

步骤三:对比。新建文件test.py

import timeit

cy_t=timeit.timeit("fib(1000)",setup="from cy_fib import fib",number=10000)
py_t=timeit.timeit("fib(1000)",setup="from py_fib import fib",number=10000)

print("cython is {}x time faster than python".format(py_t/cy_t))

运行test.py文件,结果显示cython要比python快200倍!真是令人激动的效率提升!

cython is 203.8898624599757x time faster than python

例子3 汉明距离

上一个例子已经显示出cython的强大,这个例子要说明的是,同一段cython代码,静态化的部分不同,造成的效果存在差异。这里举的例子是计算两个字符串的汉明距离。

步骤一:老套路,纯python的实现,新建hamming.pyhamming_sumhamming_loop两个函数实现的功能相同,但是hamming_sum利用了python的zip,从语法角度上看,这很pythonic。但是从结果上看,越python,效率越低。

def hamming_sum(s0,s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    return sum(c0!=c1 for (c0,c1) in zip(s0,s1))

def hamming_loop(s0,s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    count =0
    for i in range(len(s0)):
        count+=(s0[i]!=s1[i])
    return count

步骤二:cython的实现,新建cy_hamming.py。这里纯粹是对纯python实现的copy,但是从结果可以看到,编译后的还是可以加速。

def hamming_sum(s0,s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    return sum(c0!=c1 for (c0,c1) in zip(s0,s1))

def hamming_loop(s0,s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    count =0
    for i in range(len(s0)):
        count+=(s0[i]!=s1[i])
    return count

步骤三:优化的cython实现,新建cy_hamming_solution.py。这里静态化了变量类型,但其实起主要作用的是函数入口的字符串静态化,也就是char*

def hamming_sum(char* s0, char* s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    return sum(c0!=c1 for (c0,c1) in zip(s0,s1))

def hamming_loop(char* s0,char* s1):
    if len(s0) != len(s1):
        raise ValueError()
    cdef:
        int count =0
        int i
        int N = len(s0)
    for i in range(N):
        count+=(s0[i]!=s1[i])
    return count

步骤四:对比。cythonize好上面的两个pyx文件后,新建test.py文件。

from timeit import timeit

print("*"*80)
print("python hamming_sum: %.2f" % timeit('hamming_sum("qwertyuio","asdfghjkl")','from hamming import hamming_sum'))
print("cython hamming_sum: %.2f" % timeit('hamming_sum("qwertyuio","asdfghjkl")','from cy_hamming import hamming_sum'))
print("solution hamming_sum: %.2f" % timeit('hamming_sum(b"qwertyuio",b"asdfghjkl")','from cy_hamming_solution import hamming_sum'))

print("-"*80)
print("python hamming_loop: %.2f" % timeit('hamming_loop("qwertyuio","asdfghjkl")','from hamming import hamming_loop'))
print("cython hamming_loop: %.2f" % timeit('hamming_loop("qwertyuio","asdfghjkl")','from cy_hamming import hamming_loop'))
print("solution hamming_loop: %.2f" % timeit('hamming_loop(b"qwertyuio",b"asdfghjkl")','from cy_hamming_solution import hamming_loop'))
print("*"*80)

结果

********************************************************************************
python hamming_sum: 2.11
cython hamming_sum: 1.50
solution hamming_sum: 1.30
--------------------------------------------------------------------------------
python hamming_loop: 1.99
cython hamming_loop: 0.55
solution hamming_loop: 0.11
********************************************************************************

对比分析:
- python hamming_sumcython hamming_sum对比可以看出,就算不用cython的语法扩展,简单地将python代码放入cython中编译,还是可以对python进行加速
- cython hamming_sumcython hamming_loop对比可以看出,越是pythonic的语法,效率越低。
- cython hamming_loopsolution hamming_loop对比可以看出,同样是cython,静态化的程度越高,加速越多。

好了,cython的初体验就到这吧。最后推荐一个关于cython的视频https://www.youtube.com/watch?v=gMvkiQ-gOW8,打不开可以去b站看https://www.bilibili.com/video/av23275467/,本文的例子就是出自这个视频,视频有点长,但是干货满满。

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MPU6050是一款广泛应用在无人机、机器人和运动设备中的六轴姿态传感器,它集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。这款传感器能够实时监测并提供设备的角速度和线性加速度数据,对于理解物体的动态运动状态至关重要。在Arduino平台上,通过特定的库文件可以方便地与MPU6050进行通信,获取并解析传感器数据。 `MPU6050.cpp`和`MPU6050.h`是Arduino库的关键组成部分。`MPU6050.h`是头文件,包含了定义传感器接口和函数声明。它定义了类`MPU6050`,该类包含了初始化传感器、读取数据等方法。例如,`begin()`函数用于设置传感器的工作模式和I2C地址,`getAcceleration()`和`getGyroscope()`则分别用于获取加速度和角速度数据。 在Arduino项目中,首先需要包含`MPU6050.h`头文件,然后创建`MPU6050`对象,并调用`begin()`函数初始化传感器。之后,可以通过循环调用`getAcceleration()`和`getGyroscope()`来不断更新传感器读数。为了处理这些原始数据,通常还需要进行校准和滤波,以消除噪声和漂移。 I2C通信协议是MPU6050与Arduino交互的基础,它是一种低引脚数的串行通信协议,允许多个设备共享一对数据线。Arduino板上的Wire库提供了I2C通信的底层支持,使得用户无需深入了解通信细节,就能方便地与MPU6050交互。 MPU6050传感器的数据包括加速度(X、Y、Z轴)和角速度(同样为X、Y、Z轴)。加速度数据可以用来计算物体的静态位置和动态运动,而角速度数据则能反映物体转动的速度。结合这两个数据,可以进一步计算出物体的姿态(如角度和角速度变化)。 在嵌入式开发领域,特别是使用STM32微控制器时,也可以找到类似的库来驱动MPU6050。STM32通常具有更强大的处理能力和更多的GPIO口,可以实现更复杂的控制算法。然而,基本的传感器操作流程和数据处理原理与Arduino平台相似。 在实际应用中,除了基本的传感器读取,还可能涉及到温度补偿、低功耗模式设置、DMP(数字运动处理器)功能的利用等高级特性。DMP可以帮助处理传感器数据,实现更高级的运动估计,减轻主控制器的计算负担。 MPU6050是一个强大的六轴传感器,广泛应用于各种需要实时运动追踪的项目中。通过 Arduino 或 STM32 的库文件,开发者可以轻松地与传感器交互,获取并处理数据,实现各种创新应用。博客和其他开源资源是学习和解决问题的重要途径,通过这些资源,开发者可以获得关于MPU6050的详细信息和实践指南
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