Cython 創(chuàng)建的 C 模塊可以加速 Python 代碼的執(zhí)行，這對(duì)使用效率不高的解釋型語言編寫的復(fù)雜應(yīng)用是很重要的。

Cython 是 Python 編程語言的編譯器，旨在優(yōu)化性能并形成一個(gè)擴(kuò)展的 Cython 編程語言。作為 Python 的擴(kuò)展，Cython 也是 Python 語言的超集，它支持調(diào)用 C 函數(shù)和在變量和類屬性上聲明 C 類型。這使得包裝外部 C 庫、將 C 嵌入現(xiàn)有應(yīng)用程序或者為 Python 編寫像 Python 一樣簡單的 C 語言擴(kuò)展語法變得容易。

Cython 一般用于創(chuàng)建 C 模塊來加速 Python 代碼的執(zhí)行。這在使用解釋型語言編寫的效率不高的復(fù)雜應(yīng)用中非常重要。

安裝 Cython

你可以在 Linux、BSD、Windows 或 macOS 上安裝 Cython 來使用 Python：

$ python -m pip install Cython

安裝好后，就可以使用它了。

將 Python 轉(zhuǎn)換成 C

使用 Cython 的一個(gè)好的方式是從一個(gè)簡單的 “hello world” 開始。這雖然不是展示 Cython 優(yōu)點(diǎn)的最好方式，但是它展示了使用 Cython 時(shí)發(fā)生的情況。

首先，創(chuàng)建一個(gè)簡單的 Python 腳本，文件命名為 hello.pyx（.pyx 擴(kuò)展名并不神奇，從技術(shù)上它可以是任何東西，但它是 Cython 的默認(rèn)擴(kuò)展名）：

print("hello world")

接下來，創(chuàng)建一個(gè) Python 設(shè)置腳本。一個(gè)像 Python 的 makefile 一樣的 setup.py，Cython 可以使用它來處理你的 Python 代碼：

from setuptools import setup
from Cython.Build import cythonize
 
setup(
    ext_modules = cythonize("hello.pyx")
)

最后，使用 Cython 將你的 Python 腳本轉(zhuǎn)換為 C 代碼：

$ python setup.py build_ext --inplace

你可以在你的工程目錄中看到結(jié)果。Cython 的 cythonize 模塊將 hello.pyx 轉(zhuǎn)換成一個(gè) hello.c 文件和一個(gè) .so 庫。這些 C 代碼有 2648 行，所以它比一個(gè)一行的 hello.pyx 源碼的文本要多很多。.so 庫也比它的源碼大 2000 倍（即 54000 字節(jié)和 20 字節(jié)相比）。然后，Python 需要運(yùn)行單個(gè) Python 腳本，所以有很多代碼支持這個(gè)只有一行的 hello.pyx 文件。

要使用 Python 的 “hello world” 腳本的 C 代碼版本，請(qǐng)打開一個(gè) Python 提示符并導(dǎo)入你創(chuàng)建的新 hello 模塊：

>>> import hello
hello world

將 C 代碼集成到 Python 中

測(cè)試計(jì)算能力的一個(gè)很好的通用測(cè)試是計(jì)算質(zhì)數(shù)。質(zhì)數(shù)是一個(gè)比 1 大的正數(shù)，且它只有被 1 或它自己除后才會(huì)產(chǎn)生正整數(shù)。雖然理論很簡單，但是隨著數(shù)的變大，計(jì)算需求也會(huì)增加。在純 Python 中，可以用 10 行以內(nèi)的代碼完成質(zhì)數(shù)的計(jì)算。

import sys
 
number = int(sys.argv[1])
if not number <= 1:
    for i in range(2, number):
        if (number % i) == 0:
            print("Not prime")
            break
else:
    print("Integer must be greater than 1")

這個(gè)腳本在成功的時(shí)候是不會(huì)提醒的，如果這個(gè)數(shù)不是質(zhì)數(shù)，則返回一條信息：

$ ./prime.py 3
$ ./prime.py 4
Not prime.

將這些轉(zhuǎn)換為 Cython 需要一些工作，一部分是為了使代碼適合用作庫，另一部分是為了提高性能。

腳本和庫

許多用戶將 Python 當(dāng)作一種腳本語言來學(xué)習(xí)：你告訴 Python 想讓它執(zhí)行的步驟，然后它來做。隨著你對(duì) Python（以及一般的開源編程）的了解越多，你可以了解到許多強(qiáng)大的代碼都存在于其他應(yīng)用程序可以利用的庫中。你的代碼越 不具有針對(duì)性，程序員（包括你）就越可能將其重用于其他的應(yīng)用程序。將計(jì)算和工作流解耦可能需要更多的工作，但最終這通常是值得的。

在這個(gè)簡單的質(zhì)數(shù)計(jì)算的例子中，將其轉(zhuǎn)換成 Cython，首先是一個(gè)設(shè)置腳本：

from setuptools import setup
from Cython.Build import cythonize
 
setup(
    ext_modules = cythonize("prime.py")
)

將你的腳本轉(zhuǎn)換成 C：

$ python setup.py build_ext --inplace

到目前為止，一切似乎都工作的很好，但是當(dāng)你試圖導(dǎo)入并使用新模塊時(shí)，你會(huì)看到一個(gè)錯(cuò)誤：

>>> import prime
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
  File "prime.py", line 2, in init prime
    number = sys.argv[1]
IndexError: list index out of range

這個(gè)問題是 Python 腳本希望從一個(gè)終端運(yùn)行，其中參數(shù)（在這個(gè)例子中是要測(cè)試是否為質(zhì)數(shù)的整數(shù)）是一樣的。你需要修改你的腳本，使它可以作為一個(gè)庫來使用。

寫一個(gè)庫

庫不使用系統(tǒng)參數(shù)，而是接受其他代碼的參數(shù)。對(duì)于用戶輸入，與其使用 sys.argv，不如將你的代碼封裝成一個(gè)函數(shù)來接收一個(gè)叫 number（或者 num，或者任何你喜歡的變量名）的參數(shù)：

def calculate(number):
    if not number <= 1:
        for i in range(2, number):
            if (number % i) == 0:
                print("Not prime")
                break
    else:
        print("Integer must be greater than 1")

這確實(shí)使你的腳本有些難以測(cè)試，因?yàn)楫?dāng)你在 Python 中運(yùn)行代碼時(shí)，calculate 函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)被執(zhí)行。但是，Python 編程人員已經(jīng)為這個(gè)問題設(shè)計(jì)了一個(gè)通用、還算直觀的解決方案。當(dāng) Python 解釋器執(zhí)行一個(gè) Python 腳本時(shí)，有一個(gè)叫 __name__ 的特殊變量，這個(gè)變量被設(shè)置為 __main__，但是當(dāng)它被作為模塊導(dǎo)入的時(shí)候，__name__ 被設(shè)置為模塊的名字。利用這點(diǎn)，你可以寫一個(gè)既是 Python 模塊又是有效 Python 腳本的庫：

import sys
 
def calculate(number):
    if not number <= 1:
        for i in range(2, number):
            if (number % i) == 0:
                print("Not prime")
                break
    else:
        print("Integer must be greater than 1")
 
if __name__ == "__main__":
    number = sys.argv[1]    
    calculate( int(number) )

現(xiàn)在你可以用一個(gè)命令來運(yùn)行代碼了：

$ python ./prime.py 4
Not a prime

你可以將它轉(zhuǎn)換為 Cython 來用作一個(gè)模塊：

>>> import prime
>>> prime.calculate(4)
Not prime

C Python

用 Cython 將純 Python 的代碼轉(zhuǎn)換為 C 代碼是有用的。這篇文章描述了如何做，然而，Cython 還有功能可以幫助你在轉(zhuǎn)換之前優(yōu)化你的代碼，分析你的代碼來找到 Cython 什么時(shí)候與 C 進(jìn)行交互，以及更多。如果你正在用 Python，但是你希望用 C 代碼改進(jìn)你的代碼，或者進(jìn)一步理解庫是如何提供比腳本更好的擴(kuò)展性的，或者你只是好奇 Python 和 C 是如何協(xié)作的，那么就開始使用 Cython 吧。