Cython 是什么？為什么會(huì)有 Cython？
楔子
Cython 估計(jì)很多人都聽說過，它是用來對(duì) Python 進(jìn)行加速的。如果你在使用 Python 編程時(shí)，有過如下想法，那么 Cython 非常適合你。
1）因?yàn)槟承┬枨髮?dǎo)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(shí)現(xiàn)會(huì)快上百倍，但是不熟悉 C 或者不知道 Python 如何與 C 進(jìn)行交互；
2）因?yàn)?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(huì)得到明顯的性能提升，可是換不得。因?yàn)槟愕捻?xiàng)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(dòng)態(tài)語言，但你希望至少在數(shù)字計(jì)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(yùn)算效果。因?yàn)閱渭兊臄?shù)字相加不太需要所謂的動(dòng)態(tài)性，尤其是當(dāng)你的程序中出現(xiàn)了大量的計(jì)算邏輯時(shí)；
4）對(duì)于一些計(jì)算密集型的部分，你希望能夠?qū)懗鲆恍╂敲?Numpy, Scipy, Pandas 的算法；
5）你有一些已經(jīng)用 C、C++ 實(shí)現(xiàn)的庫，你想直接在 Python 內(nèi)部更好地調(diào)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(jié)合，通過 C 來為 Python 編寫擴(kuò)展模塊，將 Python 代碼中性能關(guān)鍵的部分使用 C 進(jìn)行重寫，來達(dá)到提升性能的效果。但是這需要你對(duì) 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(chǎng)了。注意：Cython 并不是一個(gè)什么實(shí)驗(yàn)性的項(xiàng)目，它出現(xiàn)的時(shí)間已經(jīng)不短了，并且在生產(chǎn)環(huán)境中久經(jīng)考驗(yàn)，我們完全是有理由學(xué)習(xí)它的。
下面讓我們開始 Cython 的學(xué)習(xí)之旅吧，悄悄說一句，我個(gè)人非常喜歡 Cython 的語法。
Cython 是什么？
關(guān)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(gè)超集，語法是 Python 語法和 C 語法的混血。當(dāng)然我們說它是 Python 的一個(gè)超集，因此你寫純 Python 代碼也是可以的。
2）當(dāng)我們編寫完 Cython 代碼時(shí)，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(kuò)展模塊。
在早期，編寫 Python 擴(kuò)展都是拿 C 去寫，但是這對(duì)開發(fā)者有兩個(gè)硬性要求：一個(gè)是熟悉 C，另一個(gè)是要熟悉解釋器提供的 C API，這對(duì)開發(fā)者是一個(gè)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(diǎn)，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(gè)角度上說，拿 C 寫擴(kuò)展和拿 Cython 寫擴(kuò)展是等價(jià)的。
至于如何將 Cython 代碼翻譯成 C 代碼，則依賴于相應(yīng)的編譯器，這個(gè)編譯器本質(zhì)上就是 Python 的一個(gè)第三方模塊。它就相當(dāng)于是一個(gè)翻譯官，既然用 C 寫擴(kuò)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(qiáng)大之處就在于它將 Python 和 C 結(jié)合了起來，可以讓你像寫 Python 代碼一樣的同時(shí)還可以獲得 C 的高效率。所以我們看到 Cython 相當(dāng)于是高級(jí)語言 Python 和低級(jí)語言 C 之間的一個(gè)融合，因此有人也稱 Cython 是 "克里奧爾編程語言"（creole programming language）。
克里奧爾人是居住在西印度群島的歐洲人和非洲人的混血兒，以此來形容 Cython 也類似于是一個(gè)（Python 和 C 的）混血兒。
為什么要有 Cython？
Python 和 C 語言大相徑庭，為什么要將它們?nèi)诤显谝黄鹉兀看鸢甘牵阂驗(yàn)檫@兩者并不是對(duì)立的，而是互補(bǔ)的。
Python 是高階語言、動(dòng)態(tài)、易于學(xué)習(xí)，并且靈活。但這些優(yōu)秀的特性是需要付出代價(jià)的，因?yàn)?Python 的動(dòng)態(tài)性、以及它是解釋型語言，導(dǎo)致其運(yùn)行效率比靜態(tài)編譯型語言慢了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(shí)間來算的話，其編譯器已有將近半個(gè)世紀(jì)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(jí)、同時(shí)又非常強(qiáng)大的。然而不同于 Python 的是，C 語言沒有提供保護(hù)措施（沒有 GC、容易內(nèi)存泄露），以及使用起來很不方便。
所以兩個(gè)語言都是主流語言，只是特性不同使得它們被應(yīng)用在了不同的領(lǐng)域。而 Cython 的美麗之處就在于：它將 Python 語言豐富的表達(dá)能力、動(dòng)態(tài)機(jī)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(jīng)是有效的 Cython 代碼，因?yàn)?Cython 可以看成是 Python 的超集。并且 Cython 在 Python 語言的基礎(chǔ)上添加了一些少量的關(guān)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(jīng)知道 Python 并且對(duì) C 或 C++ 有一定的基礎(chǔ)了解，那么你可以直接學(xué)習(xí) Cython，無需再學(xué)習(xí)其它的接口語言。
另外，我們其實(shí)可以將 Cython 當(dāng)成兩個(gè)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(gè)優(yōu)化 Python 接口的 C、C++ 開始，而我們這里是為了學(xué)習(xí) 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(shí)現(xiàn)大量的性能提升，尤其是靜態(tài)類型系統(tǒng)，這是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。
Cython 和 CPython 的區(qū)別？
關(guān)于 Cython，最讓人困惑的就是它和 CPython 之間的關(guān)系，但是需要強(qiáng)調(diào)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(gè)或多個(gè)普通的文本文件，我們需要使用 Python 語言對(duì)應(yīng)的解釋器來執(zhí)行它。
而 Python 解釋器也會(huì)按照同樣的語法規(guī)則來對(duì)我們編寫的 Python 源代碼進(jìn)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(huì)報(bào)出語法錯(cuò)誤，也就是 SyntaxError。如果符合語法規(guī)范的話，那么會(huì)順利地生成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，簡(jiǎn)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(jī)器可以識(shí)別的指令進(jìn)行執(zhí)行才可以。而 CPython 正是 Python 語言對(duì)應(yīng)的解釋器，并且它也是官方實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)解釋器，同時(shí)還是使用最廣泛的一種解釋器。基本上我們使用的解釋器都是 CPython，也就是從官網(wǎng)下載、然后安裝之后所得到的。
標(biāo)準(zhǔn)解釋器 CPython 是由 C 語言實(shí)現(xiàn)的，除了 CPython 之外還有 Jython（java實(shí)現(xiàn)的 Python 解釋器）、PyPy（Python 語言實(shí)現(xiàn)的 Python 解釋器）等等。總之設(shè)計(jì)出一門語言，還要有相應(yīng)的解釋器才可以；至于編譯型語言，則是對(duì)應(yīng)的編譯器。
最后重點(diǎn)來了，我們說 CPython 解釋器是由 C 實(shí)現(xiàn)的，它給 Python 語言提供了 C 級(jí)別的接口，也就是熟知的 Python/C API。比如：Python 的列表，底層對(duì)應(yīng)的是 PyListObject；字典則對(duì)應(yīng) PyDictObject，等等等等。
所以當(dāng)我們?cè)?Python 中創(chuàng)建一個(gè)列表，那么 CPython 在執(zhí)行的時(shí)候，就會(huì)在底層創(chuàng)建一個(gè) PyListObject。因?yàn)?CPython 是用 C 來實(shí)現(xiàn)的，最終肯定是將 Python 代碼翻譯成 C 級(jí)別的代碼，然后再變成機(jī)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(kuò)展（本質(zhì)上也是機(jī)器碼），導(dǎo)入之后直接執(zhí)行，而無需動(dòng)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(shí)現(xiàn)，它的地位和 CPython 不是等價(jià)的，不過和 Python 是平級(jí)的。
總結(jié)：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(kuò)展模塊，同樣需要 CPython 來進(jìn)行調(diào)用。
以上我們就解釋了什么是 Cython，以及為什么需要 Cython。下一篇文章我們來比較一下，Cython, Python, C 擴(kuò)展, 還有原生的 C 語言之間的效率差異。
所以這又是一個(gè)新系列，通過一點(diǎn)點(diǎn)地深入了解，你會(huì)發(fā)現(xiàn) Cython 的魅力。
