原标题：这一行代码，能让你的Python运行速度提高100倍！
Python一直被病垢运行速度太慢，但是实际上Python的执行效率并不慢，慢的是python用的解释器Cpython运行效率太差。
“一行代码让Python的运行速度提高100倍”，这绝不是哗众取宠的论调。
我们来看一下这个最简单的例子，从1一直累加到1亿。
最原始的代码：
import time
def foo(x,y):
tt = time. time
s = 0
fori inrange(x,y):
s += i
print( 'Time used: {} sec'. format( time. time-tt))
returns
print(foo( 1, 100000000))
结果：
Timeused: 6 .779874801635742sec
4999999950000000
我们来加一行代码，再看看结果：
fromnumba importjit
importtime
@jit
deffoo(x,y):
tt = time.time
s = 0
fori inrange(x,y):
s += i
print( 'Time used: {} sec'.format(time.time-tt))
returns
print(foo( 1, 100000000))
结果：
Timeused: 0 .04680037498474121sec
4999999950000000
是不是快了100多倍呢？
那么下面就分享一下“为啥 numba 库的 jit 模块那么牛掰？”
NumPy 的创始人Travis Oliphant在离开Enthought之后，创建了CONTINUUM，致力于将Python大数据处理方面的应用。最近推出的Numba项目能够将处理NumPy数组的Python函数JIT编译为机器码执行，从而上百倍的提高程序的运算速度。
Numba项目的主页上有Linux下的详细安装步骤。编译LLVM需要花一些时间。Windows用户可以从Unofficial Windows Binaries for Python Extension Packages下载安装LLVMPy、meta和numba等几个扩展库。
下面我们看一个例子：
importnumba asnb
fromnumba importjit
@jit( 'f8(f8[:])')
def sum1d(array):
s = 0.0
n = array.shape[ 0]
fori inrange(n):
s += array[i]
returns
importnumpy asnp
array = np.random.random( 10000)
%timeit sum1d(array)
%timeit np.sum(array)
%timeit sum(array)
10000loops, best of3: 38.9us per loop
10000loops, best of3: 32.3us per loop
100loops, best of3: 12.4ms per loop
numba 中提供了一些修饰器，它们可以将其修饰的函数 JIT 编译成机器码函数，并返回一个可在Python中调用机器码的包装对象。为了能将 Python 函数编译成能高速执行的机器码，我们需要告诉 JIT 编译器函数的各个参数和返回值的类型。
我们可以通过多种方式指定类型信息，在上面的例子中，类型信息由一个字符串’f8(f8[:])’指定。其中’f8’表示8个字节双精度浮点数，括号前面的’f8’表示返回值类型，括号里的表示参数类型，’[:]’表示一维数组。
因此整个类型字符串表示sum1d是一个参数为双精度浮点数的一维数组，返回值是一个双精度浮点数。需要注意的是， JIT 所产生的函数只能对指定的类型的参数进行运算：
printsum1d(np.ones( 10, dtype=np. int32))
printsum1d(np.ones( 10, dtype=np. float32))
printsum1d(np.ones( 10, dtype=np. float64))
1.2095376009e-312
1.46201599944e+185
10.0
如果希望 JIT 能针对所有类型的参数进行运算，可以使用 autojit ：
fromnumba importautojit
@autojit
defsum1d2(array):
s = 0.0
n = array.shape[ 0]
fori inrange(n):
s += array[i]
returns
%timeit sum1d2(array)
printsum1d2(np.ones( 10, dtype=np.int32))
printsum1d2(np.ones( 10, dtype=np.float32))
printsum1d2(np.ones( 10, dtype=np.float64))
10000loops, best of 3: 143us per loop
10.0
10.0
10.0
autoit虽然可以根据参数类型动态地产生机器码函数，但是由于它需要每次检查参数类型，因此计算速度也有所降低。numba的用法很简单，基本上就是用jit和autojit这两个修饰器，和一些类型对象。下面的程序列出numba所支持的所有类型：
print [obj forobj innb.__dict__.values ifisinstance(obj, nb.minivect.minitypes.Type)]
[size_t, Py_uintptr_t, uint16, complex128, float, complex256, void, int, longdouble,
unsignedPY_LONG_LONG, uint32, complex256, complex64, object_, npy_intp, constchar*,
double, unsignedshort, float, object_, float, uint64, uint32, uint8, complex128, uint16,
int, int, uint8, complex64, int8, uint64, double, longdouble, int32, double, longdouble,
char, long, unsignedchar, PY_LONG_LONG, int64, int16, unsignedlong, int8, int16, int32,
unsignedint, short, int64, Py_ssize_t]
工作原理 numba 的通过 meta 模块解析Python函数的ast语法树，对各个变量添加相应的类型信息。然后调用llvmpy生成机器码，最后再生成机器码的Python调用接口。
meta模块
通过研究numba的工作原理，我们可以找到许多有用的工具。例如meta模块可在程序源码、ast语法树以及Python二进制码之间进行相互转换。下面看一个例子：
defadd2(a, b):
returna + b
decompile_func能将函数的代码对象反编译成ast语法树，而str_ast能直观地显示ast语法树，使用这两个工具学习Python的ast语法树是很有帮助的。
frommeta.decompiler importdecompile_func
frommeta.asttools importstr_ast
printstr_ast(decompile_func(add2))
FunctionDef(args=arguments(args=[Name(ctx=Param,
id= 'a'),
Name(ctx=Param,
id= 'b')],
defaults=[],
kwarg= None,
vararg= None),
body=[Return(value=BinOp(left=Name(ctx=Load,
id= 'a'),
op=Add,
right=Name(ctx=Load,
id= 'b')))],
decorator_list=[],
name= 'add2')
而python_source可以将ast语法树转换为Python源代码：
frommeta.asttools importpython_source
python_source(decompile_func(add2))
defadd2(a, b):
return(a + b)
decompile_pyc将上述二者结合起来，它能将Python编译之后的pyc或者pyo文件反编译成源代码。下面我们先写一个tmp.py文件，然后通过py_compile将其编译成tmp.pyc。
withopen( "tmp.py", "w") asf:
f.write( """
def square_sum(n):
s = 0
for i in range(n):
s += i**2
return s
""" )
importpy_compile
py_compile.compile( "tmp.py")
下面调用decompile_pyc将tmp.pyc显示为源代码：
withopen( "tmp.pyc", "rb") asf:
decompile_pyc(f)
defsquare_sum(n):
s = 0
fori inrange(n):
s += (i ** 2)
returns
llvmpy模块
LLVM是一个动态编译器，llvmpy则可以通过Python调用LLVM动态地创建机器码。直接通过llvmpy创建机器码是比较繁琐的，例如下面的程序创建一个计算两个整数之和的函数，并调用它计算结果。
from llvm.core import Module, Type, Builder
from llvm.ee import ExecutionEngine, GenericValue
# Create a new module with a function implementing this:
#
# int add(int a, int b) {
# return a + b;
# }
#
my_module = Module.new('my_module')
ty_int = Type.int
ty_func = Type.function(ty_int, [ty_int, ty_int])
f_add = my_module.add_function(ty_func, "add")
f_add.args[0].name = "a"
f_add.args[1].name = "b"
bb = f_add.append_basic_block( "entry")
# IRBuilder for our basic block
builder = Builder.new(bb)
tmp = builder.add(f_add.args[0], f_add.args[1], "tmp")
builder.ret(tmp)
# Create an execution engine object. This will create a JIT compiler
# on platforms that support it, or an interpreter otherwise
ee = ExecutionEngine.new(my_module)
# Each argument needs to be passed as a GenericValue object, which is a kind
# of variant
arg1 = GenericValue.int(ty_int, 100)
arg2 = GenericValue.int(ty_int, 42)
# Now let's compile and run!
retval = ee.run_function(f_add, [arg1, arg2])
# The return value is also GenericValue. Let's print it.
print "returned", retval.as_int
returned 142
f_add就是一个动态生成的机器码函数，我们可以把它想象成C语言编译之后的函数。在上面的程序中，我们通过ee.run_function调用此函数，而实际上我们还可以获得它的地址，然后通过Python的ctypes模块调用它。
首先通过ee.get_pointer_to_function获得f_add函数的地址：
addr = ee.get_pointer_to_function(f_add)
addr
2975997968L
然后通过ctypes.PYFUNCTYPE创建一个函数类型：
import ctypes
f_type = ctypes.PYFUNCTYPE(ctypes.c_int, ctypes.c_int, ctypes.c_int)
最后通过f_type将函数的地址转换为可调用的Python函数，并调用它：
f = f_type(addr)
f(100, 42)
142
numba所完成的工作就是：解析Python函数的ast语法树并加以改造，添加类型信息；将带类型信息的ast语法树通过llvmpy动态地转换为机器码函数，然后再通过和ctypes类似的技术为机器码函数创建包装函数供Python调用。
