python科学计算——用Weave嵌入C语言

最近因为项目需求，需要用到C++/Python混合编程，今天无意间发现了scipy的一个远古模块weave也可以在python中嵌入C语言的库，就鼓捣了一下（我真闲o(╥﹏╥)o）

先提醒一下大家，在2021年2月18日的SciPy 0.15.0 Release Notes中， weave模块已经被弃用，它是唯一一个没有被移植到Python 3的模块。并且不建议在新代码中使用，官方建议使用Cython替代他。
Weave只能在python2环境中使用。

weave简介

Python作为动态语言其功能虽然强大，但是在数值计算方面有一个最大的缺点：速度不够快。在Python级别的循环和计算的速度只有C语言程序的百分之一。因此才有了NumPy, SciPy这样的函数库，将高度优化的C、Fortran的函数库进行包装，以供Python程序调用。如果这些高度优化的函数库无法实现我们的算法，必须从头开始写循环、计算的话，那么用Python来做显然是不合适的。因此SciPy提供了快速调用C++语言程序的方法-- Weave。

安装

为了支持现有的代码，scipy.weave已单独打包:https://github.com/scipy/weave。它是一个纯Python包，可以很容易地用pip安装。
安装：

pip install weave

参考：https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/release.0.15.0.html

测试

# -*- coding: utf-8 -*-
import weave
import numpy as np
import time

def my_sum(a):
    n=int(len(a))
    code="""
    int i;

    double counter;
    counter =0;
    for(i=0;i<n;i++){
        counter=counter+a(i);
    }
    return_val=counter;
    """

    err=weave.inline(
        code,['a','n'],
        type_converters=weave.converters.blitz,
        compiler="gcc"
    )
    return err

a = np.arange(0, 10000000, 1.0)
# 先调用一次my_sum，weave会自动对C语言进行编译，此后直接运行编译之后的代码
my_sum(a)

start = time.clock()
for i in xrange(100):
    my_sum(a)  # 直接运行编译之后的代码
print "my_sum:", (time.clock() - start) / 100.0

start = time.clock()
for i in xrange(100):
    np.sum( a ) # numpy中的sum，其实现也是C语言级别
print "np.sum:", (time.clock() - start) / 100.0

start = time.clock()
print sum(a) # Python内部函数sum通过数组a的迭代接口访问其每个元素，因此速度很慢
print "sum:", time.clock() - start

运行结果：

my_sum: 0.0294527349146
np.sum: 0.0527649547638
sum: 9.11022322669

可以看到用Weave编译的C语言程序比numpy自带的sum函数还要快。而Python的内部函数sum使用数组的迭代器接口进行运算，因此速度是Python语言级别的，只有Weave版本的1/300。

weave.inline函数的第一个参数为需要执行的C++语言代码，第二个参数是一个列表，它告诉weave要把Python中的两个变量a和n传递给C++程序，注意我们用字符串表示变量名。converters.blitz是一个类型转换器，将numpy的数组类型转换为C++的blitz类。C++程序中的变量a不是一个数组，而是blitz类的实例，因此它使用a(i)获得其各个元素的值，而不是用a[i]。最后我们通过compiler参数告诉weave要采用gcc为C++编译器。如果你安装的是python(x,y)的话，gcc(mingw32)也一起安装好了，否则你可能需要手工安装gcc编译器或者微软的Visual C++。

参考：https://docs.huihoo.com/scipy/scipy-zh-cn/scipy_intro.html#b-spline