profile针对优化
知道了热点，就可以进行针对性的优化，而这个优化往往根具体的业务密切相关，没用万能钥匙，具体问题，具体分析。个人经验而言，最有效的优化是找产品经理讨论需求，可能换一种方式也能满足需求，少者稍微折衷一下产品经理也能接受。次之是修改代码的实现，比如之前使用了一个比较通俗易懂但效率较低的算法，如果这个算法成为了性能瓶颈，那就考虑换一种效率更高但是可能难理解的算法、或者使用dirty Flag模式。对于这些同样的方法，需要结合具体的案例，本文不做赘述。
接下来结合python语言特性，介绍一些让python代码不那么pythonic，但可以提升性能的一些做法
第一：减少函数的调用层次
每一层函数调用都会带来不小的开销，特别对于调用频率高，但单次消耗较小的calltree，多层的函数调用开销就很大，这个时候可以考虑将其展开。
对于之前调到的profile的代码，foo这个call tree非常简单，但频率高。修改代码，增加一个plain_foo()函数, 直接返回最终结果，关键输出如下：
跟之前的结果对比：
可以看到，优化了差不多3倍。
第二：优化属性查找
上面提到，python 的属性查找效率很低，如果在一段代码中频繁访问一个属性(比如for循环)，那么可以考虑用局部变量代替对象的属性。
第三：关闭GC
在本文的第一章节已经提到，关闭GC可以提升python的性能，GC带来的顿卡在实时性要求比较高的应用场景也是难以接受的。但关闭GC并不是一件容易的事情。我们知道python的引用计数只能应付没有循环引用的情况，有了循环引用就需要靠GC来处理。在python语言中, 写出循环引用非常容易。比如：
case 1： a, b = SomeClass(), SomeClass() a.b, b.a = b, a case 2： lst = [] lst.append(lst) case 3： self.handler = self.some_func |
当然，大家可能说，谁会这么傻，写出这样的代码，是的，上面的代码太明显，当中间多几个层级之后，就会出现“间接”的循环应用。在python的标准库 collections里面的OrderedDict就是case2：
要解决循环引用，第一个办法是使用弱引用(weakref)，第二个是手动解循环引用。
第四：setcheckinterval
如果程序确定是单线程，那么修改checkinterval为一个更大的值，这里有介绍。
第五：使用__slots__
slots最主要的目的是用来节省内存，但是也能一定程度上提高性能。我们知道定义了__slots__的类，对某一个实例都会预留足够的空间，也就不会再自动创建__dict__。当然，使用__slots__也有许多注意事项，最重要的一点，继承链上的所有类都必须定义__slots__，python doc有详细的描述。下面看一个简单的测试例子：
class BaseSlots(object): __slots__ = ['e', 'f', 'g'] class Slots(BaseSlots): __slots__ = ['a', 'b', 'c', 'd'] def __init__(self): self.a = self.b = self.c = self.d = self.e = self.f = self.g = 0 class BaseNoSlots(object): pass class NoSlots(BaseNoSlots): def __init__(self): super(NoSlots,self).__init__() self.a = self.b = self.c = self.d = self.e = self.f = self.g = 0 def log_time(s): begin = time.time() for i in xrange(10000000): s.a,s.b,s.c,s.d, s.e, s.f, s.g return time.time() - begin if __name__ == '__main__': print 'Slots cost', log_time(Slots()) print 'NoSlots cost', log_time(NoSlots()) |
输出结果：
Slots cost 3.12999987602 NoSlots cost 3.48100018501 |
python C扩展
也许通过profile，我们已经找到了性能热点，但这个热点就是要运行大量的计算，而且没法cache，没法省略。。。这个时候就该python的C扩展出马了，C扩展就是把部分python代码用C或者C++重新实现，然后编译成动态链接库，提供接口给其它python代码调用。由于C语言的效率远远高于python代码，所以使用C扩展是非常普遍的做法，比如我们前面提到的cProfile就是基于_lsprof.so的一层封装。python的大所属对性能有要求的库都使用或者提供了C扩展，如gevent、protobuff、bson。
笔者曾经测试过纯python版本的bson和cbson的效率，在综合的情况下，cbson快了差不多10倍!
python的C扩展也是一个非常复杂的问题，本文仅给出一些注意事项：
第一：注意引用计数的正确管理
这是最难最复杂的一点。我们都知道python基于指针技术来管理对象的生命周期，如果在扩展中引用计数出了问题，那么要么是程序崩溃，要么是内存泄漏。更要命的是，引用计数导致的问题很难debug。。。
C扩展中关于引用计数最关键的三个词是：steal reference，borrowed reference，new reference。建议编写扩展代码之前细读python的官方文档。
第二：C扩展与多线程
这里的多线程是指在扩展中new出来的C语言线程，而不是python的多线程，出了python doc里面的介绍，也可以看看《python cookbook》的相关章节。
第三：C扩展应用场景
仅适合与业务代码的关系不那么紧密的逻辑，如果一段代码大量业务相关的对象 属性的话，是很难C扩展的
将C扩展封装成python代码可调用的接口的过程称之为binding，Cpython本身就提供了一套原生的API，虽然使用最为广泛，但该规范比较复杂。很多第三方库做了不同程度的封装，以便开发者使用，比如boost.python、cython、ctypes、cffi(同时支持pypy cpython)，具体怎么使用可以google。
beyond CPython
尽管python的性能差强人意，但是其易学易用的特性还是赢得越来越多的使用者，业界大牛也从来没有放弃对python的优化。这里的优化是对python语言设计上、或者实现上的一些反思或者增强。这些优化项目一些已经夭折，一些还在进一步改善中，在这个章节介绍目前还不错的一些项目。
cython
前面提到cython可以用到binding c扩展，但是其作用远远不止这一点。
Cython的主要目的是加速python的运行效率，但是又不像上一章节提到的C扩展那么复杂。在Cython中，写C扩展和写python代码的复杂度差不多(多亏了Pyrex)。Cython是python语言的超集，增加了对C语言函数调用和类型声明的支持。从这个角度来看，cython将动态的python代码转换成静态编译的C代码，这也是cython高效的原因。使用cython同C扩展一样，需要编译成动态链接库，在linux环境下既可以用命令行，也可以用distutils。
如果想要系统学习cython，建议从cython document入手，文档写得很好。下面通过一个简单的示例来展示cython的使用方法和性能(linux环境)。
首先，安装cython：
pip install Cython
下面是测试用的python代码，可以看到这两个case都是运算复杂度比较高的例子：
def f(): return x**2-x def integrate_f(a, b, N): s = 0 dx = (b-a)/N for i in range(N): s += f(a+i*dx) return s * dx def main(): import time begin = time.time() for i in xrange(10000): for i in xrange(100):f(10) print 'call f cost:', time.time() - begin begin = time.time() for i in xrange(10000): integrate_f(1.0, 100.0, 1000) print 'call integrate_f cost:', time.time() - begin if __name__ == '__main__': main() |
运行结果：
call f cost: 0.215116024017 call integrate_f cost: 4.33698010445 |
不改动任何python代码也可以享受到cython带来的性能提升，具体做法如下：
step1：将文件名(cython_example.py)改为cython_example.pyx
step2：增加一个setup.py文件，添加一下代码：
from distutils.core import setup from Cython.Build import cythonize setup( name = 'cython_example', ext_modules = cythonize("cython_example.pyx"), ) |
step3：执行python setup.py build_ext –inplace
可以看到 增加了两个文件，对应中间结果和最后的动态链接库
step4：执行命令 python -c “import cython_example;cython_example.main()”(注意： 保证当前环境下已经没有 cython_example.py)
运行结果：
call f cost: 0.0874309539795 call integrate_f cost: 2.92381191254 |
性能提升了大概两倍，我们再来试试cython提供的静态类型(static typing)，修改cython_example.pyx的核心代码，替换f()和integrate_f()的实现如下：
def f(double x): # 参数静态类型 return x**2-x def integrate_f(double a, double b, int N): cdef int i cdef double s, dx s = 0 dx = (b-a)/N for i in range(N): s += f(a+i*dx) return s * dx |
然后重新运行上面的第三 四步：结果如下
call f cost: 0.042387008667 call integrate_f cost: 0.958620071411 |
上面的代码，只是对参数引入了静态类型判断，下面对返回值也引入静态类型判断。
替换f()和integrate_f()的实现如下：
cdef double f(double x): # 返回值也有类型判断 return x**2-x cdef double integrate_f(double a, double b, int N): cdef int i cdef double s, dx s = 0 dx = (b-a)/N for i in range(N): s += f(a+i*dx) return s * dx |
然后重新运行上面的第三 四步：结果如下
call f cost: 1.19209289551e-06 call integrate_f cost: 0.187038183212 |
Amazing!
pypy
pypy是CPython的一个替代实现，其最主要的优势就是pypy的速度，下面是官网的测试结果：
在实际项目中测试，pypy大概比cpython要快3到5倍!pypy的性能提升来自JIT Compiler。在前文提到google的Unladen Swallow 项目也是想在CPython中引入JIT，在这个项目失败后，很多开发人员都开始加入pypy的开发和优化。另外pypy占用的内存更少，而且支持stackless，基本等同于协程。
pypy的缺点在于对C扩展方面支持的不太好，需要使用CFFi来做binding。对于使用广泛的library来说，一般都会支持pypy，但是小众的、或者自行开发的C扩展就需要重新封装了。
ChangeLog
2017.03.10 增加了对__slots__的介绍
references
编程语言benchmark
python属性查找
python profiler
yappi
greenletprofiler
python-profiling-tools
python C API
cython
Pyrex
cython document
pypy
