15.11 用Cython写高性能的数组操作

问题

你要写高性能的操作来自 NumPy 之类的数组计算函数。 你已经知道了 Cython 这样的工具会让它变得简单，但是并不确定该怎样去做。

解决方案

作为一个例子，下面的代码演示了一个 Cython 函数，用来修整一个简单的一维双精度浮点数数组中元素的值。

# sample.pyx (Cython)

cimport cython

@cython.boundscheck(False)
@cython.wraparound(False)
cpdef clip(double[:] a, double min, double max, double[:] out):
    '''
    Clip the values in a to be between min and max. Result in out
    '''
    if min > max:
        raise ValueError("min must be <= max")
    if a.shape[0] != out.shape[0]:
        raise ValueError("input and output arrays must be the same size")
    for i in range(a.shape[0]):
        if a[i] < min:
            out[i] = min
        elif a[i] > max:
            out[i] = max
        else:
            out[i] = a[i]

要编译和构建这个扩展，你需要一个像下面这样的 setup.py 文件 （使用 python3 setup.py build_ext --inplace 来构建它）：

from distutils.core import setup
from distutils.extension import Extension
from Cython.Distutils import build_ext

ext_modules = [
    Extension('sample',
              ['sample.pyx'])
]

setup(
  name = 'Sample app',
  cmdclass = {'build_ext': build_ext},
  ext_modules = ext_modules
)

你会发现结果函数确实对数组进行的修正，并且可以适用于多种类型的数组对象。例如：

>>> # array module example
>>> import sample
>>> import array
>>> a = array.array('d',[1,-3,4,7,2,0])
>>> a

array('d', [1.0, -3.0, 4.0, 7.0, 2.0, 0.0])
>>> sample.clip(a,1,4,a)
>>> a
array('d', [1.0, 1.0, 4.0, 4.0, 2.0, 1.0])

>>> # numpy example
>>> import numpy
>>> b = numpy.random.uniform(-10,10,size=1000000)
>>> b
array([-9.55546017,  7.45599334,  0.69248932, ...,  0.69583148,
       -3.86290931,  2.37266888])
>>> c = numpy.zeros_like(b)
>>> c
array([ 0.,  0.,  0., ...,  0.,  0.,  0.])
>>> sample.clip(b,-5,5,c)
>>> c
array([-5.        ,  5.        ,  0.69248932, ...,  0.69583148,
       -3.86290931,  2.37266888])
>>> min(c)
-5.0
>>> max(c)
5.0

你还会发现运行生成结果非常的快。 下面我们将本例和 numpy 中的已存在的 clip() 函数做一个性能对比：

>>> timeit('numpy.clip(b,-5,5,c)','from __main__ import b,c,numpy',number=1000)
8.093049556000551
>>> timeit('sample.clip(b,-5,5,c)','from __main__ import b,c,sample',
...         number=1000)
3.760528204000366

正如你看到的，它要快很多——这是一个很有趣的结果，因为 NumPy 版本的核心代码还是用 C 语言写的。

讨论

本节利用了 Cython 类型的内存视图，极大的简化了数组的操作。 cpdef clip() 声明了 clip() 同时为 C 级别函数以及 Python 级别函数。 在 Cython 中，这个是很重要的，因为它表示此函数调用要比其他 Cython 函数更加高效 （比如你想在另外一个不同的 Cython 函数中调用 clip()）。

类型参数 double[:] a 和 double[:] out 声明这些参数为一维的双精度数组。 作为输入，它们会访问任何实现了内存视图接口的数组对象，这个在 PEP 3118 有详细定义。 包括了 NumPy 中的数组和内置的 array 库。

当你编写生成结果为数组的代码时，你应该遵循上面示例那样设置一个输出参数。 它会将创建输出数组的责任给调用者，不需要知道你操作的数组的具体细节 （它仅仅假设数组已经准备好了，只需要做一些小的检查比如确保数组大小是正确的）。 在像 NumPy 之类的库中，使用 numpy.zeros() 或 numpy.zeros_like() 创建输出数组相对而言比较容易。另外，要创建未初始化数组， 你可以使用 numpy.empty() 或 numpy.empty_like() . 如果你想覆盖数组内容作为结果的话选择这两个会比较快点。

在你的函数实现中，你只需要简单的通过下标运算和数组查找（比如 a[i], out[i] 等）来编写代码操作数组。 Cython 会负责为你生成高效的代码。

clip() 定义之前的两个装饰器可以优化下性能。 @cython.boundscheck(False) 省去了所有的数组越界检查， 当你知道下标访问不会越界的时候可以使用它。@cython.wraparound(False) 消除了相对数组尾部的负数下标的处理（类似 Python 列表）。 引入这两个装饰器可以极大的提升性能（测试这个例子的时候大概快了 2.5 倍）。

任何时候处理数组时，研究并改善底层算法同样可以极大的提示性能。 例如，考虑对 clip() 函数的如下修正，使用条件表达式：

@cython.boundscheck(False)
@cython.wraparound(False)
cpdef clip(double[:] a, double min, double max, double[:] out):
    if min > max:
        raise ValueError("min must be <= max")
    if a.shape[0] != out.shape[0]:
        raise ValueError("input and output arrays must be the same size")
    for i in range(a.shape[0]):
        out[i] = (a[i] if a[i] < max else max) if a[i] > min else min

实际测试结果是，这个版本的代码运行速度要快 50 %以上（2.44 秒对比之前使用 timeit() 测试的 3.76 秒）。

到这里为止，你可能想知道这种代码怎么能跟手写 C 语言 PK 呢？ 例如，你可能写了如下的 C 函数并使用前面几节的技术来手写扩展：

void clip(double *a, int n, double min, double max, double *out) {
  double x;
  for (; n >= 0; n--, a++, out++) {
    x = *a;

    *out = x > max ? max : (x < min ? min : x);
  }
}

试验之后，我们发现一个手写 C 扩展要比使用 Cython 版本的慢了大概 10%。

你可以对实例代码构建多个扩展。 对于某些数组操作，最好要释放 GIL，这样多个线程能并行运行。 要这样做的话，需要修改代码，使用 with nogil: 语句：

@cython.boundscheck(False)
@cython.wraparound(False)
cpdef clip(double[:] a, double min, double max, double[:] out):
    if min > max:
        raise ValueError("min must be <= max")
    if a.shape[0] != out.shape[0]:
        raise ValueError("input and output arrays must be the same size")
    with nogil:
        for i in range(a.shape[0]):
            out[i] = (a[i] if a[i] < max else max) if a[i] > min else min

如果你想写一个操作二维数组的版本，下面是可以参考下：

@cython.boundscheck(False)
@cython.wraparound(False)
cpdef clip2d(double[:,:] a, double min, double max, double[:,:] out):
    if min > max:
        raise ValueError("min must be <= max")
    for n in range(a.ndim):
        if a.shape[n] != out.shape[n]:
            raise TypeError("a and out have different shapes")
    for i in range(a.shape[0]):
        for j in range(a.shape[1]):
            if a[i,j] < min:
                out[i,j] = min
            elif a[i,j] > max:
                out[i,j] = max
            else:
                out[i,j] = a[i,j]

希望读者不要忘了本节所有代码都不会绑定到某个特定数组库（比如 NumPy）上面。 这样代码就更有灵活性。 不过，要注意的是如果处理数组要涉及到多维数组、切片、偏移和其他因素的时候情况会变得复杂起来。