Cython是什么，為什么會有Cython

Cython 估計很多人都聽說過，它是用來對 Python 進行加速的。如果你在使用 Python 編程時，有過如下想法，那么 Cython 非常適合你。

1. 因為某些需求導致不得不編寫一些多重嵌套的循環(huán)，而這些循環(huán)如果用 C 語言來實現(xiàn)會快上百倍，但是不熟悉 C 或者不知道 Python 如何與 C 進行交互；
2. 因為 Python 解釋器的性能原因，如果將 CPython 解釋器換成 PyPy，或者干脆換一門語言，比如 Rust，將會得到明顯的性能提升，可是換不得。因為你的項目組規(guī)定只能使用 Python 語言，解釋器只能是 CPython；
3. Python 是一門動態(tài)語言，但你希望至少在數(shù)字計算方面，能夠加入可選的靜態(tài)類型，這樣可以極大地加速運算效果。因為單純的數(shù)字相加不太需要所謂的動態(tài)性，尤其是當你的程序中出現(xiàn)了大量的計算邏輯時；
4. 對于一些計算密集型的部分，你希望能夠寫出一些媲美 Numpy, Scipy, Pandas 的算法；
5. 你有一些已經用 C、C++ 實現(xiàn)的庫，你想直接在 Python 內部更好地調用它們，并且不使用 ctypes、cffi 等模塊；
6. 也許你聽說過 Python 和 C 可以無縫結合，通過 C 來為 Python 編寫擴展模塊，將 Python 代碼中性能關鍵的部分使用 C 進行重寫，來達到提升性能的效果。但是這需要你對 Python 解釋器有很深的了解，熟悉底層的 Python/C API，而這是一件非常痛苦的事情；

如果你有過上面的一些想法，那么證明你的 Python 水平是很優(yōu)秀的，然而這些問題總歸是要解決的，于是 Cython 便閃亮登場了。注意：Cython 并不是一個什么實驗性的項目，它出現(xiàn)的時間已經不短了，并且在生產環(huán)境中久經考驗，我們完全是有理由學習它的。

Cython 是什么？

關于 Cython，我們必須要清楚兩件事：

1. Cython 是一門編程語言，它將 C 和 C++ 的靜態(tài)類型系統(tǒng)融合在了 Python 身上。Cython 源文件的后綴是 .pyx，它是 Python 的一個超集，語法是 Python 語法和 C 語法的混血。當然我們說它是 Python 的一個超集，因此你寫純 Python 代碼也是可以的。
2. 當我們編寫完 Cython 代碼時，需要先將 Cython 代碼翻譯成高效的 C 代碼，然后再將 C 代碼編譯成 Python 的擴展模塊。

在早期，編寫 Python 擴展都是拿 C 去寫，但是這對開發(fā)者有兩個硬性要求：一個是熟悉 C，另一個是要熟悉解釋器提供的 C API，這對開發(fā)者是一個非常大的挑戰(zhàn)。此外，拿 C 編寫代碼，開發(fā)效率也非常低。而 Cython 的出現(xiàn)則解決了這一點，Cython 和 Python 的語法非常相似，我們只需要編寫 Cython 代碼，然后再由 Cython 編譯器將 Cython 代碼翻譯成 C 代碼即可。所以從這個角度上說，拿 C 寫擴展和拿 Cython 寫擴展是等價的。

至于如何將 Cython 代碼翻譯成 C 代碼，則依賴于相應的編譯器，這個編譯器本質上就是 Python 的一個第三方模塊。它就相當于是一個翻譯官，既然用 C 寫擴展是一件痛苦的事情，那就拿 Cython 去寫，寫完了再幫你翻譯成 C。

因此 Cython 的強大之處就在于它將 Python 和 C 結合了起來，可以讓你像寫 Python 代碼一樣的同時還可以獲得 C 的高效率。所以我們看到 Cython 相當于是高級語言 Python 和低級語言 C 之間的一個融合，因此有人也稱 Cython 是 "克里奧爾編程語言"（creole programming language）。

為什么要有 Cython？

Python 和 C 語言大相徑庭，為什么要將它們融合在一起呢？答案是：因為這兩者并不是對立的，而是互補的。

Python 是高階語言、動態(tài)、易于學習，并且靈活。但這些優(yōu)秀的特性是需要付出代價的，因為 Python 的動態(tài)性、以及它是解釋型語言，導致其運行效率比靜態(tài)編譯型語言慢了好幾個數(shù)量級。

而 C 語言是最古老的靜態(tài)編譯型語言之一，并且至今也被廣泛使用。從時間來算的話，其編譯器已有將近半個世紀的歷史，在性能上做了足夠的優(yōu)化，因此 C 語言是非常低級、同時又非常強大的。然而不同于 Python 的是，C 語言沒有提供保護措施（沒有 GC、容易內存泄露），以及使用起來很不方便。

所以兩個語言都是主流語言，只是特性不同使得它們被應用在了不同的領域。而 Cython 的美麗之處就在于：它將 Python 語言豐富的表達能力、動態(tài)機制和 C 語言的高性能匯聚在了一起，并且代碼寫起來仍然像寫 Python 一樣。

注意：除了極少數(shù)的例外，Python 代碼（2.x和3.x版本）已經是有效的 Cython 代碼，因為 Cython 可以看成是 Python 的超集。并且 Cython 在 Python 語言的基礎上添加了一些少量的關鍵字來更好地開發(fā) C 的類型系統(tǒng)，從而允許 Cython 編譯器生成高效的 C 代碼。如果你已經知道 Python 并且對 C 或 C++ 有一定的基礎了解，那么你可以直接學習 Cython，無需再學習其它的接口語言。

另外，我們其實可以將 Cython 當成兩個身份來看待：

1. 如果將 Cython 翻譯成 C，那么可以看成 Cython 的 '陰'；
2. 如果將 Python 作為膠水連接 C 或者 C++，那么可以看成是 Cython 的 '陽'。

我們可以從需要高性能的 Python 代碼開始，也可以從需要一個優(yōu)化 Python 接口的 C、C++ 開始，而我們這里是為了學習 Cython，因此顯然是選擇前者。為了加速 Python 代碼，Cython 將使用可選的靜態(tài)類型聲明并通過算法來實現(xiàn)大量的性能提升，尤其是靜態(tài)類型系統(tǒng)，這是實現(xiàn)高性能的關鍵。

Cython 和 CPython 的區(qū)別？

關于 Cython，最讓人困惑的就是它和 CPython 之間的關系，但是需要強調的是這兩者是完全不同的。

首先 Python 是一門語言，它有自己的語法規(guī)則，我們按照 Python 語言規(guī)定的語法規(guī)則編寫的代碼就是 Python 源代碼。但是源代碼只是一個或多個普通的文本文件，我們需要使用 Python 語言對應的解釋器來執(zhí)行它。

而 Python 解釋器也會按照同樣的語法規(guī)則來對我們編寫的 Python 源代碼進行分詞、語法解析等等，如果我們編寫的代碼不符合 Python 的語法規(guī)則，那么會報出語法錯誤，也就是 SyntaxError。如果符合語法規(guī)范的話，那么會順利地生成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，簡稱 AST），然后將 AST 編譯成指令集合，也就是所謂的字節(jié)碼（bytes code），最后再執(zhí)行字節(jié)碼。

所以 Python 源代碼是需要 Python 解釋器來操作的，如果我們想做一些事情的話，光寫成源代碼是不行的，必須要由 Python 解釋器將我們的代碼解釋成機器可以識別的指令進行執(zhí)行才可以。而 CPython 正是 Python 語言對應的解釋器，并且它也是官方實現(xiàn)的標準解釋器，同時還是使用最廣泛的一種解釋器?；旧衔覀兪褂玫慕忉屍鞫际?CPython，也就是從官網下載、然后安裝之后所得到的。

標準解釋器 CPython 是由 C 語言實現(xiàn)的，除了 CPython 之外還有 Jython（java實現(xiàn)的 Python 解釋器）、PyPy（Python 語言實現(xiàn)的 Python 解釋器）等等?？傊O計出一門語言，還要有相應的解釋器才可以；至于編譯型語言，則是對應的編譯器。

最后重點來了，我們說 CPython 解釋器是由 C 實現(xiàn)的，它給 Python 語言提供了 C 級別的接口，也就是熟知的 Python/C API。比如：Python 的列表，底層對應的是 PyListObject；字典則對應 PyDictObject，等等等等。

所以當我們在 Python 中創(chuàng)建一個列表，那么 CPython 在執(zhí)行的時候，就會在底層創(chuàng)建一個 PyListObject。因為 CPython 是用 C 來實現(xiàn)的，最終肯定是將 Python 代碼翻譯成 C 級別的代碼，然后再變成機器碼交給 CPU 執(zhí)行。

而 Cython 也是如此，Cython 代碼也要被翻譯成 C 代碼，然后 C 代碼再變成擴展（本質上也是機器碼），導入之后直接執(zhí)行，而無需動態(tài)解釋。因此 Cython 是一門語言，它并不是Python 解釋器的另一種實現(xiàn)，它的地位和 CPython 不是等價的，不過和 Python 是平級的。

總結：Cython 是一門語言，可以通過 Cython 源代碼生成高效的 C 代碼，再將 C 代碼編譯成擴展模塊，同樣需要 CPython 來進行調用。

審核編輯：符乾江