用 Numba 加速 Python 代码，变得像 C++ 一样快

英文：Puneet Grover，译：zxdefying

整理：Python开发者（id：PythonCoder）

目录

1. 介绍
2. 为什么选择 Numba？
3. Numba 是如何工作的？
4. 使用 Numba 的基本功能（只需要加上 @jit！）
5. @vectorize 装饰器
6. 在 GPU 上运行函数
7. 扩展阅读
8. 参考

注意： 这篇文章的 Jupyter Notebook 代码在我的 Github 上：SpeedUpYourAlgorithms-Numba

1. 介绍

Numba 是 python 的即时（Just-in-time）编译器，即当您调用 python 函数时，您的全部或部分代码就会被转换为“即时”执行的机器码，它将以您的本地机器码速度运行！它由 Anaconda 公司赞助，并得到了许多其他组织的支持。

在 Numba 的帮助下，您可以加速所有计算负载比较大的 python 函数（例如循环）。它还支持 numpy 库！所以，您也可以在您的计算中使用 numpy，并加快整体计算，因为 python 中的循环非常慢。 您还可以使用 python 标准库中的 math 库的许多函数，如 sqrt 等。有关所有兼容函数的完整列表，请查看 此处。

2. 为什么选择 Numba？

那么，当有像 cython 和 Pypy 之类的许多其他编译器时，为什么要选择 numba？

原因很简单，这样您就不必离开写 python 代码的舒适区。是的，就是这样，您根本不需要为了获得一些的加速来改变您的代码，这与您从类似的具有类型定义的 cython 代码获得的加速相当。那不是很好吗？

您只需要添加一个熟悉的 python 功能，即添加一个包装器（一个装饰器）到您的函数上。类的装饰器也在开发中了。

所以，您只需要添加一个装饰器就可以了。例如：

1cd ~/pythia/data
2from numba import jit
3@jit
4def function(x):
5    # your loop or numerically intensive computations
6    return x

这仍然看起来像一个原生 python 代码，不是吗？

3. 如何使用 Numba？

“question mark neon signage” by Emily Morter on Unsplash

Numba 使用 LLVM 编译器基础结构 将原生 python 代码转换成优化的机器码。使用 numba 运行代码的速度可与 C/C++ 或 Fortran 中的类似代码相媲美。

以下是代码的编译方式：

首先，Python 函数被传入，优化并转换为 numba 的中间表达，然后在类型推断（type inference）之后，就像 numpy 的类型推断（所以 python float 是一个 float64），它被转换为 LLVM 可解释代码。 然后将此代码提供给 LLVM 的即时编译器以生成机器码。

您可以根据需要在运行时或导入时 生成 机器码，导入需要在 CPU（默认）或 GPU 上进行。

4. 使用 numba 的基本功能（只需要加上 @jit ！）

Photo by Charles Etoroma on Unsplash

小菜一碟！

为了获得最佳性能，numba 实际上建议在您的 jit 装饰器中加上 nopython=True 参数，加上后就不会使用 Python 解释器了。或者您也可以使用 @njit。如果您加上 nopython=True的装饰器失败并报错，您可以用简单的 @jit 装饰器来编译您的部分代码，对于它能够编译的代码，将它们转换为函数，并编译成机器码。然后将其余部分代码提供给 python 解释器。

所以，您只需要这样做：

1from numba import njit, jit
2@njit      # or @jit(nopython=True)
3def function(a, b):
4    # your loop or numerically intensive computations
5    return result

当使用 @jit 时，请确保您的代码有 numba 可以编译的内容，比如包含库（numpy）和它支持的函数的计算密集型循环。否则它将不会编译任何东西，并且您的代码将比没有使用 numba 时更慢，因为存在 numba 内部代码检查的额外开销。

还有更好的一点是，numba 会对首次作为机器码使用后的函数进行缓存。 因此，在第一次使用之后它将更快，因为它不需要再次编译这些代码，如果您使用的是和之前相同的参数类型。

如果您的代码是 可并行化 的，您也可以传递 parallel=True 作为参数，但它必须与 nopython=True 一起使用，目前这只适用于CPU。

您还可以指定希望函数具有的函数签名，但是这样就不会对您提供的任何其他类型的参数进行编译。 例如：

 1from numba import jit, int32
 2@jit(int32(int32, int32))
 3def function(a, b):
 4    # your loop or numerically intensive computations
 5    return result
 6# or if you haven t imported type names
 7# you can pass them as string
 8@jit( int32(int32, int32) )
 9def function(a, b):
10    # your loop or numerically intensive computations
11    return result

现在您的函数只能接收两个 int32 类型的参数并返回一个 int32 类型的值。 通过这种方式，您可以更好地控制您的函数。 如果需要，您甚至可以传递多个函数签名。

您还可以使用 numba 提供的其他装饰器：

1. @vectorize：允许将标量参数作为 numpy 的 ufuncs 使用，
2. @guvectorize：生成 NumPy 广义上的 ufuncs，
3. @stencil：定义一个函数使其成为 stencil 类型操作的核函数
4. @jitclass：用于 jit 类，
5. @cfunc：声明一个函数用于本地回调（被C/C++等调用），
6. @overload：注册您自己的函数实现，以便在 nopython 模式下使用，例如： @overload（scipy.special.j0）。

Numba 还有 Ahead of time（AOT）编译，它生成不依赖于 Numba 的已编译扩展模块。 但：

1. 它只允许常规函数（ufuncs 就不行），
2. 您必须指定函数签名。并且您只能指定一种签名，如果需要指定多个签名，需要使用不同的名字。

它还根据您的CPU架构系列生成通用代码。

5. @vectorize 装饰器

“gray solar panel lot” by American Public Power Association on Unsplash

通过使用 @vectorize 装饰器，您可以对仅能对标量操作的函数进行转换，例如，如果您使用的是仅适用于标量的 python 的 math 库，则转换后就可以用于数组。 这提供了类似于 numpy 数组运算（ufuncs）的速度。 例如：

1from numba import jit, int32
2@vectorize
3def func(a, b):
4    # Some operation on scalars
5    return result

您还可以将 target 参数传递给此装饰器，该装饰器使 target 参数为 parallel 时用于并行化代码，为 cuda 时用于在 cudaGPU 上运行代码。

1@vectorize(target="parallel")
2def func(a, b):
3    # Some operation on scalars
4    return result

使 target=“parallel” 或 “cuda” 进行矢量化通常比 numpy 实现的代码运行得更快，只要您的代码具有足够的计算密度或者数组足够大。如果不是，那么由于创建线程以及将元素分配到不同线程需要额外的开销，因此可能耗时更长。所以运算量应该足够大，才能获得明显的加速。

这个视频讲述了一个用 Numba 加速用于计算流体动力学的Navier Stokes方程的例子：

6. 在GPU上运行函数

“time-lapsed of street lights” by Marc Sendra martorell on Unsplash

您也可以像装饰器一样传递 @jit 来运行 cuda/GPU 上的函数。 为此您必须从 numba 库中导入 cuda。 但是要在 GPU 上运行代码并不像之前那么容易。为了在 GPU 上的数百甚至数千个线程上运行函数，需要先做一些初始计算。 实际上，您必须声明并管理网格，块和线程的层次结构。这并不那么难。

要在GPU上执行函数，您必须定义一个叫做 核函数 或 设备函数 的函数。首先让我们来看 核函数。

关于核函数要记住一些要点：

a）核函数在被调用时要显式声明其线程层次结构，即块的数量和每块的线程数量。您可以编译一次核函数，然后用不同的块和网格大小多次调用它。

b）核函数没有返回值。因此，要么必须对原始数组进行更改，要么传递另一个数组来存储结果。为了计算标量，您必须传递单元素数组。

1# Defining a kernel function
2from numba import cuda
3@cuda.jit
4def func(a, result):
5    # Some cuda related computation, then
6    # your computationally intensive code.
7    # (Your answer is stored in  result )

因此，要启动核函数，您必须传入两个参数：

1. 每块的线程数，
2. 块的数量。

例如：

1threadsperblock = 32
2blockspergrid = (array.size + (threadsperblock - 1)) // threadsperblock
3func[blockspergrid, threadsperblock](array)

每个线程中的核函数必须知道它在哪个线程中，以便了解它负责数组的哪些元素。Numba 只需调用一次即可轻松获得这些元素的位置。

1@cuda.jit
2def func(a, result):
3    pos = cuda.grid(1)  # For 1D array
4    # x, y = cuda.grid(2) # For 2D array
5    if pos < a.shape[0]:
6        result[pos] = a[pos] * (some computation)

为了节省将 numpy 数组复制到指定设备，然后又将结果存储到 numpy 数组中所浪费的时间，Numba 提供了一些 函数 来声明并将数组送到指定设备，如：numba.cuda.device_array，numba.cuda。 device_array_like，numba.cuda.to_device 等函数来节省不必要的复制到 cpu 的时间（除非必要）。

另一方面，设备函数 只能从设备内部（通过核函数或其他设备函数）调用。 比较好的一点是，您可以从 设备函数 中返

1from numba import cuda
2@cuda.jit(device=True)
3def device_function(a, b):
4    return a + b

您还应该在这里查看 Numba 的 cuda 库支持的功能。

Numba 在其 cuda 库中也有自己的 原子操作，随机数生成器，共享内存实现（以加快数据的访问）等功能。

ctypes/cffi/cython 的互用性：

• cffi – 在 nopython 模式下支持调用 CFFI 函数。
• ctypes – 在 nopython 模式下支持调用 ctypes 包装函数。
• Cython 导出的函数是 可调用 的。