Cython的C指針

與C一樣，盡管指針性與變量而不是類型相關(guān)聯(lián)，但可以在類型或變量附近聲*號(hào)。

%%cython
cdef int *a
cdef int *b

但這樣在變量a,b寫在一行,cython編譯器會(huì)發(fā)出警告的信息,因此建議每個(gè)變量單獨(dú)聲明

%%cython

cdef int *a,*b

Cython中的指針的解引操作

在Cython中解引用指針與在C語(yǔ)言中不同。
由于Python語(yǔ)言已經(jīng)使用*args和**kwargs語(yǔ)法來(lái)允許任意位置和關(guān)鍵字參數(shù)并支持函數(shù)參數(shù)解包，因此Cython不支持*

*解引語(yǔ)法是C指針的語(yǔ)法。 取而代之的是，我們?cè)谖恢?的指針處建立索引，以解引Cython中的指針的引用。 這種語(yǔ)法也可以解引C中的指針，盡管這種情況很少見。

Cython的結(jié)構(gòu)體與指針

無(wú)論在C中使用箭頭運(yùn)算符的任何地方，在Cython中的結(jié)構(gòu)體都使用點(diǎn)運(yùn)算符訪問(wèn)其內(nèi)部的成員變量，Cython將生成正確的C級(jí)代碼

%%cython -a

cdef struct Person:
    char* name
    unsigned int age
#end-cdef

#初始化結(jié)構(gòu)體
cdef Person p=Person("jck308",32)

#聲明Person類型結(jié)構(gòu)體指針p_per
#并將變量p的地址賦值給指針p_per
cdef Person *p_per=&p

#訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體的成員
print(p.age)
print(p.name)

print(p_per.age)
print(p_per.name)

混合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)類型變量

Cython允許靜態(tài)和動(dòng)態(tài)類型變量之間的賦值。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的這種流體混合是一個(gè)強(qiáng)大的特性，我們將在多個(gè)實(shí)例中使用它：它允許我們對(duì)大多數(shù)代碼基使用動(dòng)態(tài)Python對(duì)象，并輕松地將它們轉(zhuǎn)換為性能關(guān)鍵部分加速、靜態(tài)類型的類比。

舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)我們有幾個(gè)靜態(tài)int，我們想將它們組合成（動(dòng)態(tài)）Python元組。使用Python/C API創(chuàng)建和初始化這個(gè)元組的C代碼很簡(jiǎn)單，但是很繁瑣，需要幾十行代碼，并且需要大量的錯(cuò)誤檢查。在Cython，顯而易見的方法就是：

%%cython

#靜態(tài)類型的變量
cdef int a=1,b=2,c=3

##動(dòng)態(tài)類型的變量
tuple_of_ints=(a,b,c)

print(tuple_of_ints)

這段代碼很無(wú)聊。 這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，a，b和c是靜態(tài)類型的整數(shù)，而Cython允許使用它們創(chuàng)建動(dòng)態(tài)類型的Python元組。 然后，我們可以將該元組分配給動(dòng)態(tài)鍵入的tuple_of_ints變量。 該示例的簡(jiǎn)單性是Cython強(qiáng)大之處：我們可以以顯而易見的方式創(chuàng)建一個(gè)C類型int元組，而無(wú)需進(jìn)一步思考。 我們希望像這樣的概念上簡(jiǎn)單的事情變得簡(jiǎn)單，這就是Cython所提供的。

此示例之所以有效，是因?yàn)镃類型的int與Python int之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此Python可以為我們自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換。 例如，如果a，b和c是C指針，則此示例無(wú)法按原樣工作。 在這種情況下，我們必須解引它們，然后再將它們放入元組或使用其他策略。

例如下面的代碼是個(gè)錯(cuò)誤的例子，因?yàn)镻ython解釋器無(wú)法識(shí)別指針類型的變量

%%cython

cdef int k=55,j=56

cdef int *a=&k
cdef int *b=&j

tuple_of_ints=(a,b)
print(tuple_of_ints)

正確的做法,如下圖所示，我們通過(guò)解引指針變量a、b

ss8.png

給出了內(nèi)置Python類型與C或C ++類型之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的完整列表

ss8.png

Cythond的bint類型

bint布爾整數(shù)類型是C級(jí)別的int，并與Python的bool相互轉(zhuǎn)換。 它具有真實(shí)性的標(biāo)準(zhǔn)C解釋：零為False，非零為True。

整數(shù)類型轉(zhuǎn)換和溢出

Python 3中，所有int對(duì)象都是無(wú)限精度的。當(dāng)將整數(shù)類型從Python轉(zhuǎn)換為C時(shí)，Cython會(huì)生成檢查溢出的代碼。 如果C類型不能表示Python整數(shù)，則會(huì)引發(fā)運(yùn)行時(shí)OverflowError。

float類型轉(zhuǎn)換

Python fload存儲(chǔ)為C double。 根據(jù)IEEE 754轉(zhuǎn)換規(guī)則，將Python浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為C浮點(diǎn)數(shù)可能會(huì)截?cái)酁?.0或正負(fù)無(wú)窮大。
Cython的double類型會(huì)被動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換Python的float類型

%%cython

cdef double d=384848048282945060321.3835
b=d

print(b)
print(type(b))

ss8.png

Complex類定

The Python complex類型存儲(chǔ)為兩個(gè)double的C結(jié)構(gòu),Cython具有浮點(diǎn)復(fù)數(shù)和雙復(fù)數(shù)C級(jí)類型，它們對(duì)應(yīng)于Python復(fù)數(shù)類型。 C類型與Python復(fù)雜類型具有相同的接口，但是使用有效的C級(jí)操作。 這包括訪問(wèn)實(shí)數(shù)和虛數(shù)分量的實(shí)數(shù)和imag屬性，創(chuàng)建多個(gè)復(fù)數(shù)共軛的共軛方法，以及用于加，減，乘和除的有效運(yùn)算。C級(jí)Complex類型與C99 _Complex類型或C ++ std :: complex模板化類兼容。

bytes類型

Python字節(jié)類型會(huì)自動(dòng)在char *或std :: string之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。下面示例就是Cython char類型指針 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為Python的bytes

%%cython

cdef char* s="Hello World"
b=s

print(b)
print(type(b))

用Python類型靜態(tài)聲明變量

到目前為止，我們一直使用cdef靜態(tài)聲明C類型的變量。 也可以使用cdef靜態(tài)聲明Python類型的變量。 我們可以對(duì)內(nèi)置類型（例如list，tuple和dict）執(zhí)行此操作； 擴(kuò)展類型，例如NumPy數(shù)組； 還有很多其他

并非所有的Python類型都可以靜態(tài)聲明：它們必須用C實(shí)現(xiàn)，并且Cython必須有權(quán)訪問(wèn)該聲明。 內(nèi)置的Python類型已經(jīng)滿足了這些要求，并且聲明它們很簡(jiǎn)單。 例如Python典型的集合類型list,dict,str,set(str就是集合類型,字符串?dāng)?shù)組)：

cdef list mylist
cdef dict mydi
cdef str pname
cdef set myset

此示例中的變量是完整的Python對(duì)象。 在后臺(tái)，Cython將它們聲明為指向某些內(nèi)置Python結(jié)構(gòu)類型的C指針。 它們可以像普通的Python變量一樣使用，但是受其聲明類型的約束：

%%cython

cdef list mylist=[k+1 for k in range(1,11)]

pylist=mylist

print("mylist:",mylist)

print("刪除pylist索引2的元素")
del pylist[2]
print(mylist)

在這里，通過(guò)刪除pylist第3個(gè)元素也會(huì)刪除mylist的第3個(gè)元素，因?yàn)樗鼈円玫氖峭涣斜?。mylist和pylist之間的一個(gè)區(qū)別是，mylist只能引用Python列表對(duì)象，而pylist可以引用任何Python類型。 Cython將在編譯時(shí)和運(yùn)行時(shí)對(duì)mylist施加類型約束。

乍一看，Cython允許靜態(tài)聲明具有內(nèi)置Python類型的變量似乎有些奇怪。 為什么不照常使用Python的動(dòng)態(tài)類型？ 答案指出了Cython的一般原理：我們提供的靜態(tài)類型信息越多，Cython就能更好地優(yōu)化結(jié)果。 像往常一樣，該規(guī)則也有例外，但這通常是正確的。 例如，以下代碼從Cython函數(shù)中返回sieveOfEratosthenes()返回一個(gè)cdef list的對(duì)象附加到動(dòng)態(tài)類型的變量中：

%%cython 
#cython:language_level=3

cpdef list sieveOfEratosthenes(int n):
    cdef list pr = [True for i in range(n + 1)]
    cdef int p = 2
    cdef list res=list()
    
    while (p * p <= n):
        if (pr[p] == True):
            for i in range(p * p, n + 1, p):
                pr[i] = False
            #end-for
        #end-if
        p += 1
    #end-while
    
    cdef int k
    
    for k in range(2,n):
        if pr[k]:
            res.append(k)
        #end-if
    #end-for
    return res
#end-def


#這是Python動(dòng)態(tài)類型的list
primers=[]

primers=sieveOfEratosthenes(9)

print(primers)

print("調(diào)用append方法")
primers.append(11)
print(primers)

程序輸出

Cython編譯器將生成可處理任何Python對(duì)象的代碼，并在運(yùn)行時(shí)測(cè)試primers是否為列表。如果不是，只要它具有帶參數(shù)的append方法，該代碼就會(huì)運(yùn)行。在后臺(tái)，生成的代碼首先在primers對(duì)象上查找append屬性(使用PyObject_GetAttr），然后使用完全通用的PyObject_Call Python / C API函數(shù)調(diào)用該方法。 這實(shí)質(zhì)上模擬了當(dāng)運(yùn)行等效的Python字節(jié)碼時(shí)Python解釋器將執(zhí)行的操作。

假設(shè)上面的代碼中primers變量我們使用靜態(tài)聲明

cdef list primers

現(xiàn)在，Cython可以生成專門的代碼，這些代碼可以直接從C API調(diào)用PyList_SET_ITEM或PyList_Append函數(shù)。 這就是上一示例中的PyObject_Call最終仍然要調(diào)用的內(nèi)容，但是靜態(tài)類型允許Cython繞過(guò)了Python解釋器在動(dòng)態(tài)調(diào)度(Dynamic Dispatch)一系列繁瑣沉重的類型檢測(cè)(內(nèi)部類型指針查找)，這也是Cython的靜態(tài)版本list比Python動(dòng)態(tài)版本list性能高效的原因。

關(guān)于Python解釋器的動(dòng)態(tài)調(diào)度的詳細(xì)介紹，請(qǐng)查看此文《第2篇:Cython VS Python 執(zhí)行原理》

Cython當(dāng)前支持的集中內(nèi)置可靜態(tài)聲明的Python類型，我們常用靜態(tài)聲明的可能就是list,dict

• type,object
• bool
• complex
• basestring,str,unicode,bytes,bytearray
• list,tuple,dict,set,frosenset
• array
• slace
• date,time,datetime,timedelta,tzinfo

上面的列出的中不包括直接C對(duì)應(yīng)的Python類型（例如int，long和float）。 事實(shí)證明，在Cython中靜態(tài)聲明和使用PyIntObjects，PyLongObjects或PyFloatObjects并不容易。 幸運(yùn)的是，這樣做的需要很少。 我們只聲明常規(guī)的C基本數(shù)據(jù)類型int，long，float和double，然后讓Cython為我們進(jìn)行往返于Python的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

數(shù)字字面量的基本運(yùn)算

當(dāng)我們對(duì)數(shù)字字面量進(jìn)行加，減或乘運(yùn)算時(shí)，當(dāng)操作數(shù)是動(dòng)態(tài)類型化的Python對(duì)象時(shí)，這些操作具有Python語(yǔ)義(包括對(duì)于數(shù)值大的自動(dòng)Python long強(qiáng)制轉(zhuǎn)換）。當(dāng)操作數(shù)是靜態(tài)類型的C變量時(shí)，它們具有C語(yǔ)義（即，對(duì)于有限精度的整數(shù)類型，結(jié)果可能會(huì)溢出）

除數(shù)和模數(shù)（即計(jì)算余數(shù)）值得特別提及。使用帶符號(hào)整數(shù)操作數(shù)計(jì)算模數(shù)時(shí)，C和Python具有明顯不同的行為：C舍入為零，而Python舍入為無(wú)窮。例如，使用Python語(yǔ)義時(shí)，-1％5的結(jié)果為4；但是，如果使用C語(yǔ)義，它將得出-1。當(dāng)將兩個(gè)整數(shù)相除時(shí)，Python始終檢查分母，并在其為零時(shí)引發(fā)ZeroDivisionError，而C沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

對(duì)于除法/取模運(yùn)算中，即便指定了C類型的靜態(tài)數(shù)字變量，Cython的行為是傾向于Python的，要獲取與C/C++完全相同的語(yǔ)義，我們可以在全局模塊級(jí)別或在指令注釋中使用cdivision編譯器指令，如下示例所示

在Python 3中，在C級(jí)別，所有整數(shù)都是PyLongObjects。Cython以與語(yǔ)言無(wú)關(guān)的方式在C整數(shù)類型和這些Python整數(shù)類型之間正確轉(zhuǎn)換，并在無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)引發(fā)OverflowError。

當(dāng)我們?cè)贑ython中使用Python對(duì)象時(shí)，無(wú)論是靜態(tài)聲明還是動(dòng)態(tài)聲明，Cython仍將為我們管理對(duì)象的所有方面，包括繁瑣的引用計(jì)數(shù)。下一篇我們將會(huì)談到Cython中的引用計(jì)數(shù)和靜態(tài)的字符串類型。