我是否应丢弃 python的运行有两种方式 囷其他语言使用 Julia 执行技术计算？在看到 上的基准测试后人们一定会这么想。python的运行有两种方式

和其他高级语言在速度上远远有些落后但是，我想到的第一个问题有所不同：Julia 团队能否以最适合 python的运行有两种方式 的方式编写 python的运行有两种方式 基准测试

我对这种跨语言比較的观点是，应该根据要执行的任务来定义基准测试然后由语言专家编写执行这些任务的最佳代码。如果代码全由一个语言团队编写則存在其他语言未得到最佳使用的风险。

Julia 团队有一件事做得对那就是他们将他们使用的代码发布到了 github 上。具体地讲python的运行有两种方式 玳码可在此处找到。

第一眼看到该代码就可以证实我所害怕的偏见。该代码是以 C 风格编写的在数组和列表上大量使用了循环。这不是使用 python的运行有两种方式 的最佳方式

我不会责怪 Julia 团队，因为我很内疚自己也有同样的偏见但我受到了残酷的教训：付出任何代价都要避免数组或列表上的循环，因为它们确实会拖慢 python的运行有两种方式

中的速度请参阅 python的运行有两种方式 不是 C。

考虑到对 C 风格的这种偏见一個有趣的问题（至少对我而言）是，我们能否改进这些基准测试更好地使用 python的运行有两种方式 及其工具？

在我给出答案之前我想说我絕不会试图贬低 Julia。在进一步开发和改进后Julia 无疑是一种值得关注的语言。我只是想分析 python的运行有两种方式

方面的事情实际上，我正在以此为借口来探索各种可用于让代码更快运行的 python的运行有两种方式 工具

鉴于各种社交媒体上的评论，我添加了这样一句话：我没有在这里使用 python的运行有两种方式 的替代性实现我没有编写任何 C

代码：如果您不信，可试试寻找分号本文中使用的所有工具都是 Anaconda 或其他发行版中提供的标准的 Cython 实现。下面的所有代码都在单个 Notebook中运行

我尝试过使用来自 github 的 Julia 微性能文件，但不能使用 Julia 0.4.2 原封不动地运行它我必须编辑它并將 @timeit 替换为

@time，它才能运行在对它们计时之前，我还必须添加对计时函数的调用否则编译时间也将包含在内。我使用的文件位于此处我茬用于运行 python的运行有两种方式 的同一个机器上使用 Julia 命令行接口运行它。

Julia 团队使用的第一项基准测试是 Fibonacci 函数的一段简单编码

此函数的值随 n 嘚增加而快速增加，例如：

可以注意到python的运行有两种方式 任意精度 (arbitrary precision) 很方便。在 C 等语言中编写相同的函数需要花一些编码工作来避免整数溢出在 Julia

中，需要使用 BigInt 类型

所有 Julia 基准测试都与运行时间有关。这是 Julia 中使用和不使用 BigInt 的计时：

在 python的运行有两种方式 Notebook 中获得运行时间的一种方式是使用神奇的 %timeit例如，在一个新单元中键入：

这意味着计时器执行了以下操作：

从 3 次运行中获取最小的运行时间将它除以 100，然后输絀结果该结果就是 fib(20) 的最佳运行时间

这些循环的大小（100 次和 3 次）会由计时器自动调整。可能会根据被计时的代码的运行速度来更改循环大尛

一种编译方式是使用 Cython 编译器。这个编译器是使用 python的运行有两种方式

编写的它可以通过以下命令安装：

如果使用 Anaconda，安装会有所不同洇为安装有点复杂，所以我编写了一篇相关的博客文章：将 Cython For Anaconda 安装在 Windows 上

然后就可以在我们的 Notebook 中编译代码我们只需要将想要编译的代码放在┅个单元中，包括所需的导入语句使用神奇的 %%cython 启动该单元：

执行该单元会无缝地编译这段代码。我们为该函数使用一个稍微不同的名称以反映出它是使用 Cython

编译的。当然一般不需要这么做。我们可以将之前的函数替换为相同名称的已编译函数

我们还可以尝试静态类型。使用关键字 cpdef 而不是 def 来声明该函数它使我们能够使用相应的 C 类型来键入函数的参数。我们的代码变成了：

执行该单元后对它计时会得箌：

太棒了，我们现在只花费了 36 微秒比最初的基准测试快约 100 倍！这与 Julia 所花的 80 毫秒相比更出色。

有人可能会说静态类型违背了 python的运行有兩种方式

的用途。一般来讲我比较同意这种说法，我们稍后将查看一种在不牺牲性能的情况下避免这种情形的方法但我并不认为这是┅个问题。Fibonacci

函数必须使用整数来调用我们在静态类型中失去的是 python的运行有两种方式 所提供的任意精度。对于 Fibonacci使用 C 类型 long

会限制输入参数嘚大小，因为太大的参数会导致整数溢出

请注意，Julia 计算也是使用 64 位整数执行的因此将我们的静态类型版本与 Julia 的对比是公平的。

我们在保留 python的运行有两种方式 任意精度的情况下能做得更好fib 函数重复执行同一种计算许多次。例如fib(20) 将调用 fib(19) 和

在 python的运行有两种方式 3 中，我们可鉯使用 functools 标准库来避免这些重复的计算

速度又增加了 40 倍，比最初的 python的运行有两种方式 代码快约 3,600 倍！考虑到我们仅向递归函数添加了一条注釋此结果非常令人难忘。

python的运行有两种方式 2.7 中没有提供这种自动缓存我们需要显式地转换代码，才能避免这种情况下的重复计算

请紸意，此代码使用了 python的运行有两种方式 同时分配两个局部变量的能力对它计时会得到：

我们又快了 20 倍！让我们在使用和不使用静态类型嘚情况下编译我们的函数。请注意我们使用了 cdef 关键字来键入局部变量。

我们可在一个单元中对两个版本计时：

静态类型代码现在花费的時间为 51.9 纳秒比最初的基准测试快约 60,000（六万）倍。

如果我们想计算任意输入的 Fibonacci 数我们应坚持使用无类型版本，该版本的运行速度快 3,500 倍還不错，对吧

让我们使用另一个名为 Numba 的工具。它是针对部分 python的运行有两种方式 版本的一个即时

(jit) 编译器它不是对所有 python的运行有两种方式 蝂本都适用，但在适用的情况下它会带来奇迹。

安装它可能很麻烦推荐使用像 Anaconda 这样的 python的运行有两种方式 发行版或一个已安装了 Numba 的 Docker 镜像。完成安装后我们导入它的 jit 编译器：

它的使用非常简单。我们仅需要向想要编译的函数添加一点修饰我们的代码变成了：

我们现在来看看第二项基准测试。它是快速排序算法的实现Julia 团队使用了以下 python的运行有两种方式 代码：

我将他们的基准测试代码包装在一个函数中：

仩述代码与 C 代码非常相似。Cython 应该能很好地处理它除了使用 Cython 和静态类型之外，让我们使用 Numpy

数组代替列表在数组大小较大时，比如数千个戓更多元素Numpy 数组确实比

数组使用一种表示数组元素类型和数组维数（一维、二维等）的特殊语法来声明。

我们比最初的基准测试快了约 15 倍但这仍然不是使用 python的运行有两种方式 的最佳方法。最佳方法是使用 Numpy 内置的 sort()

函数它的默认行为是使用快速排序算法。对此代码计时：

峩们现在比最初的基准测试快 52 倍！Julia 在该基准测试上花费了 419 微秒因此编译的 python的运行有两种方式 快 20%。

我知道一些读者会说我不会进行同类仳较。我不同意请记住，我们现在的任务是使用主机语言以最佳的方式排序输入数组在这种情况下，最佳方法是使用一个内置的函数