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。
你你的函数实现中，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);
}
}
我们没有展示这个的扩展代码，但是试验之后，我们发现一个手写C扩展要比使用Cython版本的慢了大概10%。
最底下的一行比你想象的运行的快很多。
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。
这些内容已经超出本节范围，更多信息请参考 PEP 3118 ，
同时 Cython文档中关于“类型内存视图”
篇也值得一读。