Python可以比C++更快，你不信？

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 Python 是一个用途非常广泛的编程语言，拥有成千上万的第三方库，在人工智能、机器学习、自动化等方面有着广泛的应用，众所周知，Python 是动态语言，有全局解释器锁，比其他静态语言要慢，也正是这个原因，你也许会转向其他语言如 Java、C++，不过先等等，今天分享一个可以让 Python 比 C++ 还要快的技术，看完再决定要不要转吧。

今天的主角就是 Numba，Numba 是一个开源的即时编译器（JIT compiler），可将 Python 和 NumPy 的代码的转换为快速的机器码，从而提升运行速度。可以达到 C 或 FORTRAN 的速度。

这么牛逼是不是很难用呢？No,No,No,So easy，你不需要替换 Python 解释器，不需要单独编译，甚至不需要安装 C / C ++ 编译器。只需将 Numba 提供的装饰器放在 Python 函数上面就行，剩下的就交给 Numba 完成。举个简单的例子： 

from numba import jit  
import random  
@jit(nopython=True)  
def monte_carlo_pi(nsamples):  
    acc = 0  
    for i in range(nsamples):  
        x = random.random()  
        y = random.random()  
        if (x ** 2 + y ** 2) < 1.0:  
            acc += 1  
    return 4.0 * acc / nsamples 

Numba 是专为科学计算而设计的，在与 NumPy 一起使用时，Numba 会为不同的数组数据类型生成专门的代码，以优化性能： 

@numba.jit(nopython=True, parallel=True)  
def logistic_regression(Y, X, w, iterations):  
    for i in range(iterations):  
        w -= np.dot(((1.0 /  
              (1.0 + np.exp(-Y * np.dot(X, w)))  
              - 1.0) * Y), X)  
    return w 

现在我们来看看，同样的代码，使用 Numba 前后与 C++ 的性能对比。比如说我们要找出 1000 万以内所有的素数，代码的算法逻辑是相同的： 

Python 代码：  
import math  
import time  
def is_prime(num):  
    if num == 2:  
        return True  
    if num <= 1 or not num % 2:  
        return False  
    for div in range(3, int(math.sqrt(num) + 1), 2):  
        if not num % div:  
            return False  
    return True  
def run_program(N):  
    total = 0  
    for i in range(N):  
        if is_prime(i):  
            total += 1  
    return total  
if __name__ == "__main__": 
     N = 10000000  
    start = time.time()  
    total = run_program(N)  
    end = time.time()  
    print(f"total prime num is {total}")  
    print(f"cost {end - start}s") 

执行耗时： 

total prime num is 664579  
cost 47.386465072631836s 

C++ 代码如下： 

#include <iostream>  
#include <cmath>  
#include <time.h>  
using namespace std;  
bool isPrime(int num) {  
    if (num == 2) return true;  
    if (num <= 1 || num % 2 == 0) return false; 
    double sqrtsqrt_num = sqrt(double(num));  
    for (int div = 3; div <= sqrt_num; div +=2){  
       if (num % div == 0) return false;  
    }  
     return true;  
}  
int run_program(int N){  
    int total = 0;  
    for (int i; i < N; i++) {  
        if(isPrime(i)) total ++;  
    }  
    return total;  
}  
int main()  
{  
    int N = 10000000;  
    clock_t start,end;  
    start = clock();  
    int total = run_program(N);  
    end = clock();  
    cout << "total prime num is " << total;  
    cout << "\ncost " << (end - start) / ((double) CLOCKS_PER_SEC) << "s\n";  
    return 0;  
}  

$ g++ isPrime.cpp -o isPrime  
$ ./isPrime  
total prime num is 664579  
cost 2.36221s 

c++

C++ 确实牛逼，才 2.3 秒，不过好戏还在后头，现在我们使用 Numba 来加速一下，操作很简单，不需要改动原有的代码，先导入 Numba 的 njit，再在函数上方放个装饰器 @njit 即可，其他保持不变，代码如下： 

import math  
import time  
from numba import njit  
# @njit 相当于 @jit(nopython=True)   
@njit  
def is_prime(num):  
    if num == 2:  
        return True  
    if num <= 1 or not num % 2:  
        return False  
    for div in range(3, int(math.sqrt(num) + 1), 2):  
        if not num % div:  
            return False  
    return True  
@njit  
def run_program(N):  
    total = 0  
    for i in range(N):  
        if is_prime(i):  
            total += 1  
    return total 
if __name__ == "__main__":  
    N = 10000000  
    start = time.time()  
    total = run_program(N)  
    end = time.time()  
    print(f"total prime num is {total}")  
    print(f"cost {end - start}s") 

运行一下，可以看出时间已经从 47.39 秒降低到 3 秒。 

total prime num is 664579  
cost 3.0948808193206787s 

相比 C++ 的 2.3 秒还是有一点慢，你可能会说 Python 还是不行啊。等一等，我们还有优化的空间，就是 Python 的 for 循环，那可是 1000 万的循环，对此，Numba 提供了 prange 参数来并行计算，从而并发处理循环语句，只需要将 range 修改为 prange，装饰器传个参数：parallel = True，其他不变，代码改动如下： 

import math  
import time  
from numba import njit, prange  
@njit  
def is_prime(num):  
    if num == 2:  
        return True  
    if num <= 1 or not num % 2: 
        return False  
    for div in range(3, int(math.sqrt(num) + 1), 2):  
        if not num % div:  
            return False  
    return True  
@njit(parallel = True)  
def run_program(N):  
    total = 0  
    for i in prange(N):  
        if is_prime(i):  
            total += 1  
    return total  
if __name__ == "__main__":  
    N = 10000000  
    start = time.time()  
    total = run_program(N)  
    end = time.time()  
    print(f"total prime num is {total}")  
    print(f"cost {end - start}s") 

现在运行一下： 

python isPrime.py  
total prime num is 664579  
cost 1.4398791790008545s 

才 1.43 秒，比 C++ 还快，Numba 真的牛逼！我又运行了两次，确认自己没看错，平均就是 1.4 秒：

Python

看到这里，Numba 又让我燃起了对 Python 的激情，我不转 C++ 了，Python 够用了。

Numba 如何做到的呢？官方文档这样介绍：它读取装饰函数的 Python 字节码，并将其与有关函数输入参数类型的信息结合起来，分析和优化代码，最后使用编译器库（LLVM）针对你的 CPU 生成量身定制的机器代码。每次调用函数时，都会使用此编译版本，你说牛逼不？

Numba 还有更多详细的用法，这里不多说，想了解的请移步官方文档[1]。

最后的话

Python 几乎在每一个领域都有对应的解决方案，本文提到的 Numba 库就是专门解决 Python 在计算密集型任务方面性能不足的问题，如果你从事机器学习、数据挖掘等领域，这个会非常有帮助，如果本文对你有用，请点赞、在看、关注支持。