利用Numba與Cython結(jié)合提升python運(yùn)行效率詳解

Numba

Numba是一個(gè)即時(shí)（JIT）編譯器，它將Python代碼轉(zhuǎn)換為用于CPU和GPU的本地機(jī)器指令。代碼可以在導(dǎo)入時(shí)、運(yùn)行時(shí)或提前編譯。

通過(guò)使用jit裝飾器，使用Numba非常容易：

正如你所知道的，在Python中，所有代碼塊都被編譯成字節(jié)碼：

代碼優(yōu)化

為了優(yōu)化Python代碼，Numba從提供的函數(shù)中提取一個(gè)字節(jié)碼，并在其上運(yùn)行一組分析器。Python字節(jié)碼包含一系列小而簡(jiǎn)單的指令，因此不必從Python實(shí)現(xiàn)中使用源代碼就可以從字節(jié)碼中重構(gòu)函數(shù)的邏輯。轉(zhuǎn)換的過(guò)程涉及多個(gè)階段，但Numba將Python字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)LVM中間表示 (IR)。

請(qǐng)注意，LLVM IR是一種低級(jí)編程語(yǔ)言，它類(lèi)似于匯編語(yǔ)法，與Python無(wú)關(guān)。

Numba 模式

Numba中有兩種模式：nopython 和 object。前者不使用Python運(yùn)行時(shí)并且在沒(méi)有Python依賴(lài)項(xiàng)的情況下生成本機(jī)代碼。 本機(jī)代碼是靜態(tài)類(lèi)型的，運(yùn)行非?？臁６鴮?duì)象模式使用Python對(duì)象和Python C API，這通常不會(huì)帶來(lái)顯著的速度改進(jìn)。在這兩種情況下，Python代碼都是使用LLVM編譯的。

什么是LLVM？

LLVM是一種編譯器，它采用代碼的特殊中間表示（IR），并將其編譯成本機(jī)代碼。編譯過(guò)程涉及許多額外的傳遞，其中編譯器優(yōu)化IR。LLVM工具鏈很好地優(yōu)化了IR，不僅為Numba編譯代碼，而且優(yōu)化Numba。整個(gè)系統(tǒng)大致如下：

Python numba 體系結(jié)構(gòu)

Numba的優(yōu)勢(shì)：

• 易用性
• 自動(dòng)并行化
• 支持numpy操作和對(duì)象
• GPU支持

Numba的劣勢(shì)：

多層的抽象使得調(diào)試和優(yōu)化變得非常困難

在nopython模式下無(wú)法與Python及其模塊進(jìn)行交互

有限的類(lèi)支持

Cython

取代分析字節(jié)碼和生成IR，Cython使用Python語(yǔ)法的超集，它后來(lái)轉(zhuǎn)換成C代碼。在使用Cython時(shí)，基本上是用高級(jí)Python語(yǔ)法編寫(xiě)C代碼。

在Cython中，通常不必?fù)?dān)心Python包裝器和低級(jí)API調(diào)用，因?yàn)樗薪换ザ紩?huì)自動(dòng)擴(kuò)展到合適的C代碼。

與Numba不同，所有的Cython代碼應(yīng)該在專(zhuān)門(mén)文件中與常規(guī)Python代碼分開(kāi)。Cython將這些文件解析并轉(zhuǎn)換成C代碼，然后使用提供的C編譯器 (例如， gcc)編譯它。

Python代碼已經(jīng)是有效的Cython代碼。

但是，類(lèi)型版本工作得更快。

編寫(xiě)快速Cython代碼需要理解C和Python內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果你熟悉C，你的Cython代碼可以運(yùn)行得和C代碼一樣快。

Cython的優(yōu)勢(shì)：

• 通過(guò)Python API的使用控制
• 與C/C++庫(kù)和C/C++代碼的簡(jiǎn)單接口
• 并行執(zhí)行支持
• 支持Python類(lèi)，在C中提供面向?qū)ο蟮奶匦?/li>

Cython的劣勢(shì)：

• 學(xué)習(xí)曲線(xiàn)
• 需要C和Python內(nèi)部專(zhuān)業(yè)技術(shù)
• 模塊的組織不方便

Numba 對(duì) Cython

就個(gè)人而言，我更喜歡小項(xiàng)目和ETL實(shí)驗(yàn)用Numba。你可以將其插入現(xiàn)有項(xiàng)目中。如果我需要啟動(dòng)一個(gè)大項(xiàng)目或?yàn)镃庫(kù)編寫(xiě)包裝器，我將使用Cython，因?yàn)樗峁└嗟目刂坪透菀渍{(diào)試。

此外，Cython是許多庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)，如pandas、scikit-learn、scipy、Spacy、gensim和lxml。

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