前言
ctypes是Python的外部函數庫。它提供了C兼容的數據類型，并且允許調用動態鏈接庫/共享庫中的函數。它可以將這些庫包裝起來給Python使用。這個引入C語言的接口可以幫助我們做很多事情,比如需要調用C代碼的來提高性能的一些小型問題。通過它你可以接入Windows系統上的 kernel32.dll 和 msvcrt.dll 動態鏈接庫,以及Linux系統上的 libc.so.6 庫。當然你也可以使用自己的編譯好的共享庫
我們先來看一個簡單的例子 我們使用 Python 求 1000000 以內素數，重復這個過程10次，并計算運行時間。
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import mathfrom timeit import timeitdef check_prime(x): values = xrange(2, int(math.sqrt(x)) + 1) for i in values: if x % i == 0: return False return Truedef get_prime(n): return [x for x in xrange(2, n) if check_prime(x)]print timeit(stmt='get_prime(1000000)', setup='from __main__ import get_prime', number=10) |
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42.8259568214 |
下面用C語言寫一個的 check_prime 函數,然后把它當作共享庫(動態鏈接庫)導入
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#include <stdio.h>#include <math.h>int check_prime(int a){ int c; for ( c = 2 ; c <= sqrt(a) ; c++ ) { if ( a%c == 0 ) return 0; } return 1;} |
使用以下命令生成 .so (shared object)文件
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gcc -shared -o prime.so -fPIC prime.c |
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import ctypesimport mathfrom timeit import timeitcheck_prime_in_c = ctypes.CDLL('./prime.so').check_primedef check_prime_in_py(x): values = xrange(2, int(math.sqrt(x)) + 1) for i in values: if x % i == 0: return False return Truedef get_prime_in_c(n): return [x for x in xrange(2, n) if check_prime_in_c(x)]def get_prime_in_py(n): return [x for x in xrange(2, n) if check_prime_in_py(x)]py_time = timeit(stmt='get_prime_in_py(1000000)', setup='from __main__ import get_prime_in_py', number=10)c_time = timeit(stmt='get_prime_in_c(1000000)', setup='from __main__ import get_prime_in_c', number=10)print "Python version: {} seconds".format(py_time)print "C version: {} seconds".format(c_time) |
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Python version: 43.4539749622 secondsC version: 8.56250786781 seconds |
我們可以看到很明顯的性能差距 這里有更多的方法去判斷一個數是否是素數
再來看一個復雜點的例子 快速排序
mylib.c
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#include <stdio.h>typedef struct _Range { int start, end;} Range;Range new_Range(int s, int e) { Range r; r.start = s; r.end = e; return r;}void swap(int *x, int *y) { int t = *x; *x = *y; *y = t;}void quick_sort(int arr[], const int len) { if (len <= 0) return; Range r[len]; int p = 0; r[p++] = new_Range(0, len - 1); while (p) { Range range = r[--p]; if (range.start >= range.end) continue; int mid = arr[range.end]; int left = range.start, right = range.end - 1; while (left < right) { while (arr[left] < mid && left < right) left++; while (arr[right] >= mid && left < right) right--; swap(&arr[left], &arr[right]); } if (arr[left] >= arr[range.end]) swap(&arr[left], &arr[range.end]); else left++; r[p++] = new_Range(range.start, left - 1); r[p++] = new_Range(left + 1, range.end); }} |
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gcc -shared -o mylib.so -fPIC mylib.c |
使用ctypes有一個麻煩點的地方是原生的C代碼使用的類型可能跟Python不能明確的對應上來。比如這里什么是Python中的數組？列表？還是 array 模塊中的一個數組。所以我們需要進行轉換
test.py
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import ctypesimport timeimport randomquick_sort = ctypes.CDLL('./mylib.so').quick_sortnums = []for _ in range(100): r = [random.randrange(1, 100000000) for x in xrange(100000)] arr = (ctypes.c_int * len(r))(*r) nums.append((arr, len(r)))init = time.clock()for i in range(100): quick_sort(nums[i][0], nums[i][1])print "%s" % (time.clock() - init) |
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1.874907 |
與Python list 的 sort 方法進行對比
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import ctypesimport timeimport randomquick_sort = ctypes.CDLL('./mylib.so').quick_sortnums = []for _ in range(100): nums.append([random.randrange(1, 100000000) for x in xrange(100000)])init = time.clock()for i in range(100): nums[i].sort()print "%s" % (time.clock() - init) |
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2.501257 |
至于結構體，需要定義一個類，包含相應的字段和類型
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class Point(ctypes.Structure): _fields_ = [('x', ctypes.c_double), ('y', ctypes.c_double)] |
除了導入我們自己寫的C語言擴展文件，我們還可以直接導入系統提供的庫文件，比如linux下c標準庫的實現 glibc
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import timeimport randomfrom ctypes import cdlllibc = cdll.LoadLibrary('libc.so.6') # Linux系統# libc = cdll.msvcrt # Windows系統init = time.clock()randoms = [random.randrange(1, 100) for x in xrange(1000000)]print "Python version: %s seconds" % (time.clock() - init)init = time.clock()randoms = [(libc.rand() % 100) for x in xrange(1000000)]print "C version : %s seconds" % (time.clock() - init) |
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Python version: 0.850172 secondsC version : 0.27645 seconds |
總結
以上就是這篇文章的全部內容，希望對大家學習或使用Python能有一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流。
