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
和.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。
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!
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
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.py
。hamming_sum
和hamming_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_sum
和cython 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_sum
和cython hamming_loop
对比可以看出,越是pythonic的语法,效率越低。
- cython hamming_loop
和solution 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。