对Python函数进行Cythonize，使其更快

Question

几周前，我问了一个关于如何提高用Python编写的函数的速度的问题。当时，TryPyPy提请我注意使用Cython进行此操作的可能性。他还好心地给出了一个例子，说明我如何将代码片段进行Cythonize化。我想对下面的代码做同样的操作，看看我通过声明变量类型可以达到多快。我有几个与此有关的问题。我已经看过cython.org上的教程了，但我仍然有一些问题。它们是密切相关的：

1. 我不知道任何C。我需要学习哪些部分，使用Cython来声明变量类型？
2. 与python列表和元组对应的C类型是什么？例如，我可以在Cython中使用double来实现Python中的float。我该做些什么来处理清单？通常，在哪里可以找到给定Python类型的相应C类型。

关于我如何将下面的代码进行Cythonize的任何示例都会非常有用。我在代码中插入了注释，这些注释提供了有关变量类型的信息。

class Some_class(object):
    ** Other attributes and functions **
    def update_awareness_status(self, this_var, timePd):
        '''Inputs: this_var (type: float)
           timePd (type: int)
           Output: None'''

        max_number = len(self.possibilities)
        # self.possibilities is a list of tuples.
        # Each tuple is a pair of person objects. 

        k = int(math.ceil(0.3 * max_number))
        actual_number = random.choice(range(k))
        chosen_possibilities = random.sample(self.possibilities, 
                                         actual_number)
        if len(chosen_possibilities) > 0:
            # chosen_possibilities is a list of tuples, each tuple is a pair
            # of person objects. I have included the code for the Person class
            # below.
            for p1,p2 in chosen_possibilities:

                # awareness_status is a tuple (float, int)
                if p1.awareness_status[1] < p2.awareness_status[1]:                   
                    if p1.value > p2.awareness_status[0]:
                        p1.awareness_status = (this_var, timePd)
                    else:
                        p1.awareness_status = p2.awareness_status
                elif p1.awareness_status[1] > p2.awareness_status[1]:
                    if p2.value > p1.awareness_status[0]:
                        p2.awareness_status = (price, timePd)
                    else:
                        p2.awareness_status = p1.awareness_status
                else:
                    pass     

class Person(object):                                         
    def __init__(self,id, value):
        self.value = value
        self.id = id
        self.max_val = 50000
        ## Initial awareness status.          
        self.awarenessStatus = (self.max_val, -1)

Answer 1

请注意，您可以通过运行带有cython“注释”选项的-a命令，准确地看到C代码Cython为每一行源行生成的内容。有关示例，请参阅Cython 文档。在试图查找函数体内的瓶颈时，这是非常有用的。

此外，当Cython您的代码时，有一个“速度的早期绑定”的概念。Python (就像下面Person类的实例)使用一般Python代码进行属性访问，这在内部循环中很慢。我怀疑如果您将Person类更改为cdef class，那么您将看到一些加速。此外，还需要在内环中键入p1和p2对象。

因为您的代码有很多Python调用(例如random.sample)，除非您找到一种将这些代码行放入C中的方法，否则很可能不会得到巨大的加速，这需要很大的努力。

您可以将事物键入为tuple或list，但这通常并不意味着加速。最好在可能的情况下使用C数组；一些您需要查找的内容。

我得到了一个1.6的加速因子与以下琐碎的修改。请注意，为了让它编译，我必须在这里和那里更改一些东西。

ctypedef int ITYPE_t

cdef class CyPerson:
    # These attributes are placed in the extension type's C-struct, so C-level
    # access is _much_ faster.
    cdef ITYPE_t value, id, max_val
    cdef tuple awareness_status

    def __init__(self, ITYPE_t id, ITYPE_t value):
        # The __init__ function is much the same as before.
        self.value = value
        self.id = id
        self.max_val = 50000
        ## Initial awareness status.          
        self.awareness_status = (self.max_val, -1)

NPERSONS = 10000

import math
import random

class Some_class(object):

    def __init__(self):
        ri = lambda: random.randint(0, 10)
        self.possibilities = [(CyPerson(ri(), ri()), CyPerson(ri(), ri())) for i in range(NPERSONS)]

    def update_awareness_status(self, this_var, timePd):
        '''Inputs: this_var (type: float)
           timePd (type: int)
           Output: None'''

        cdef CyPerson p1, p2
        price = 10

        max_number = len(self.possibilities)
        # self.possibilities is a list of tuples.
        # Each tuple is a pair of person objects. 

        k = int(math.ceil(0.3 * max_number))
        actual_number = random.choice(range(k))
        chosen_possibilities = random.sample(self.possibilities,
                                         actual_number)
        if len(chosen_possibilities) > 0:
            # chosen_possibilities is a list of tuples, each tuple is a pair
            # of person objects. I have included the code for the Person class
            # below.
            for persons in chosen_possibilities:
                p1, p2 = persons
                # awareness_status is a tuple (float, int)
                if p1.awareness_status[1] < p2.awareness_status[1]:
                    if p1.value > p2.awareness_status[0]:
                        p1.awareness_status = (this_var, timePd)
                    else:
                        p1.awareness_status = p2.awareness_status
                elif p1.awareness_status[1] > p2.awareness_status[1]:
                    if p2.value > p1.awareness_status[0]:
                        p2.awareness_status = (price, timePd)
                    else:
                        p2.awareness_status = p1.awareness_status

Answer 2

C不直接了解清单的概念。基本数据类型是int (char、short、long)、float/double (所有这些数据类型都有到python的非常直观的映射)和指针。如果指针的概念对您来说是新的，请查看：维基百科:指针

在某些情况下，指针可以用作元组/数组替换。字符指针是所有字符串的基础。假设您有一个整数数组，然后将其存储为具有起始地址的连续内存块，定义类型(int)，并且它是一个指针(*)：

cdef int * array;

现在您可以访问数组的每个元素，如下所示：

array[0] = 1

但是，必须分配内存(例如使用malloc)，高级索引不能工作(例如，array[-1]将是内存中的随机数据，对于超过保留空间宽度的索引也是如此)。

更复杂的类型并不直接映射到C，但通常有一种C方式来完成可能不需要python类型的事情(例如，for循环不需要范围数组/迭代器)。

正如您自己注意到的，编写好的cython代码需要对C有更详细的了解，因此下一步可能是最好的方法。