python 性能优化实例练习二 —— 细节优化（ctypes等，未完）

本章继续沿用Fernando Doglio写的《Python性能分析与优化》的知识体系，主要是根据细节优化方面再结合自身的实际应用进行介绍，其重点为ctypes的使用。

函数返回值缓存/函数查询表

默认参数的用法

默认参数（default argument）可以在函数创建时就确定输入值，而不用在运行阶段才确定输入。

在这里复习一下python参数：

1. 位置参数（positional argument）

2. 关键词参数（keyword argument）

   def trapezoid_area(base_up, base_down, height)
   	return 1/2 * (base_up + base_down) * height
   
   trapezoid_area(1, 2, 3) # 位置参数
   trapezoid_area(base_up=1, base_down=2, height=3) # 关键词参数
   trapezoid_area(height=3, base_down=2, base_up=1) # right
   trapezoid_area(height=1, base_down=2, 1) # wrong
   trapezoid_area(base_up=1, base_down=2, 3) # right
   trapezoid_area(1, 2, height=3)
   

3. 默认参数

   默认参数 = 默认值，调用函数时，默认参数的值如果没有传入，则被认为是默认值。

   默认参数一定要放在位置参数 后面，不然程序会报错。

   def trapezoid_area(base_up, base_down, height=3)
   	return 1/2 * (base_up + base_down) * height
   trapezoid_area(1, 2) 
   trapezoid_area(1, 2, height=3) # 位置参数
   

4. 可变参数 (variable argument)

   可变参数就是传入的参数个数是可变的，可以是 0, 1, 2 到任意个，是不定长的参数。

   def printinfo(arg1, *args): # *args - 可变参数，可以是从零个到任意个，自动组装成元组。
       print('arg1:' + str(arg1))
       print('args:', end=' ')
       for var in args:
           print(var, end=' ')
       print(' ')
   
   
   printinfo(10)  # 10
   printinfo(70, 60, 50)
   

   程序的运行结果为：

   arg1:10
   args:  
   arg1:70
   args: 60 50  
   
   Process finished with exit code 0
   

5. 关键字参数 (keyword argument)

   def printinfo(arg1, *args, **kwargs): # **kwargs - 关键字参数，可以是从零个到任意个，自动组装成字典。
       print(arg1)
       print(args)
       print(kwargs)
   
   
   printinfo(70, 60, 50)
   # 70
   # (60, 50)
   # {}
   printinfo(70, 60, 50, a=1, b=2)
   # 70
   # (60, 50)
   # {'a': 1, 'b': 2}
   

   程序中注释部分即为运行结果。

6. 命名关键字参数 (name keyword argument)

   • *, nkw - 命名关键字参数，用户想要输入的关键字参数，定义方式是在nkw 前面加个分隔符 *。
   • 如果要限制关键字参数的名字，就可以用「命名关键字参数」
   • 使用命名关键字参数时，要特别注意不能缺少参数名

   def printinfo(arg1, *, nkw, **kwargs):
       print(arg1)
       print(nkw)
       print(kwargs)
   
   
   printinfo(70, nkw=10, a=1, b=2)
   # 70
   # 10
   # {'a': 1, 'b': 2}
   
   printinfo(70, 10, a=1, b=2)
   # TypeError: printinfo() takes 1 positional argument but 2 were given
   

7. 参数组合

   在 Python 中定义函数，可以用位置参数、默认参数、可变参数、命名关键字参数和关键字参数，这 5 种参数中的 4 个都可以一起使用，但是注意，参数定义的顺序必须是：

   • 位置参数、默认参数、可变参数和关键字参数。
   • 位置参数、默认参数、命名关键字参数和关键字参数。

   要注意定义可变参数和关键字参数的语法：

   • *args 是可变参数，args 接收的是一个 tuple
   • **kwargs 是关键字参数，kw 接收的是一个 dict

   命名关键字参数是为了限制调用者可以传入的参数名，同时可以提供默认值。定义命名关键字参数不要忘了写分隔符 *，否则定义的是位置参数。

   警告：虽然可以组合多达 5 种参数，但不要同时使用太多的组合，否则函数很难懂。

列表综合表达式生成器

将初始化等操作放在程序计算前面，用列表综合表达式替换for循环。

final_state_list = [FinalStatus() for x in range(opt.multiple_camera_number)]

ctypes

ctypes库可以让开发者直接进入Python的底层，借助C语言的力量进行开发。这个库只有官方版本解释器（CPython）里面才有，因为这个版本是C语言写的。其他版本，如PyPy和Jython，都不能接入这个库。

这时我们可以把关键代码写成C语言，编译成一个库，然后导入Python当作模块使用。

如何判断python解释器是哪一个我将原文中的代码进行了修改，只要cv一下在自己的python环境里跑一下就知道用的是哪一个解释器了。

import sys
import os
try:
    from platform import python_implementation
except ImportError: # pragma: no cover
    def python_implementation():
        """Return a string identifying the Python implementation."""
        if 'PyPy' in sys.version:
            print('PyPy')
        if os.name == 'java':
            print('Jython')
        if sys.version.startswith('IronPython'):
            print('IronPython')
finally:
    print('CPython')

ctypes的使用

关于ctypes的使用，看了几篇帖子感觉都讲得有点复杂，个人感觉ctypes的使用大致是将纯种的c代码编译成外部链接库，在python中导入这个外部链接库进行使用。

第一步：先创建ctypes_test.c

// 这是找素数的程序
#include 
#include 
int check_prime(int a)
{
    int c;
    for ( c = 2 ; c <= sqrt(a) ; c++ ) {
        if ( a%c == 0 )
        return 0;
    }
    return 1;
}

第二步：编译该文件

$ gcc -shared -o ct.so -fPIC .\ctypes_test.c

我的是在anaconda中的环境，并且已经安装了gcc的gcc version 8.1.0 (x86_64-posix-sjlj-rev0, Built by MinGW-W64 project)，关于gcc的参数进行一些补充：

参数	功能
-shared	此选项将禁止使用动态库，所以，编译出来的东西，一般都很大，也不需要什么动态连接库，就可以运行。
-static	此选项将尽量使用动态库，所以生成文件比较小，但是需要系统由动态库。
-fPIC	表示是动态链接库？

第三步：在python程序中调用生成的库

import time
import ctypes
import math
# ctypes.CDLL(name, mode=DEFAULT_MODE, handle=None, use_errno=False, use_last_error=False)
check_primes_types = ctypes.CDLL('./ct.so').check_prime  # ctypes.CDLL('路径').函数名

def check_prime(x):
    values = range(2, int(math.sqrt(x)))
    for i in values:
        if x % i == 0:
            return False
    return True


init = time.time()
numbers_py = [x for x in range(1000000) if check_prime(x)]
print("Full python version: %s seconds" % (time.time() - init))
init = time.time()
numbers_c = [x for x in range(1000000) if check_primes_types(x)]
print("C version: %s seconds" % (time.time() - init))
print(len(numbers_py))

注意事项

返回值：关于ctypes调用dll时的参数类型和返回值类型问题

参数：python调用c/c++代码以及解决ctypes.ArgumentError: argument 1: class ‘TypeError’: Don’t know how to convert

参数为数组：ctypes的运用（把一个numpy数组传入c中）

字符串连接

由于字符串是不可变的，每当我们要做任何改变字符串内容的操作时，其实都是创建了一个带有新内容的新字符串，我们的变量会指向新创建的字符串。

列表内字符串合并

full_doc = ""
for word in word_list:
	full_doc += word

改写为

full_doc = "".join(world_list)

变量内插法

document = "%s%s%s%s" % (title, introduction, main_piece, conclusion)

其他Python优化技巧

去掉不必要的程序

# 173行
imc = im0.copy() if opt.save_crop else im0  # for save_crop