如何使用Rust加速Python程序

作为一种解释型语言，Python在开发速度和灵活性方面具有明显的优势，但在性能方面却不如编译型语言如C++或Rust。

对于性能要求苛刻的应用程序，如果纯粹使用Python编写可能会运行缓慢，影响用户体验。

因此，如何利用Rust来加速Python程序的运行速度成为一个值得探讨的话题。

在本文中，我们比较Python和Rust的性能，并介绍如何使用Rust加速Python程序。

1 Python和Rust性能比较

实验：比较Python和Rust在计算50次迭代的30位斐波那契数的性能上的表现。

1.1 Python版本的代码：

import time


def fib(n):
    if n <= 1:
        return n
    return fib(n - 1) + fib(n - 2)


def main(test_times=50):
    start = time.time()
    for _ in range(test_times):
        fib(30)
    print(f"Total time spent: {time.time() - start} s")


main()
# Total time spent: 7.306154012680054 s

结果超过7秒钟，对于大多数应用而言都不太理想。

1.2 Rust版本：

“惊人地快”——这就是Rust的官方网站描述其性能的方式。下面是在Rust中计算同样的斐波那契数：

use std::time;

fn fib(n: i32) -> u64 {
    match n {
        1 | 2 => 1,
        _ => fib(n - 1) + fib(n - 2)
    }
}

fn main() {
    let test_times = 50;
    let start = time::Instant::now();
    for i in 0..test_times {
        fib(30);
    }
    println!("Total time spent: {:?}", start.elapsed())
}
// Total time spent: 179.774166ms

结果显示，Rust版本的程序运行时间为179.774166毫秒，比Python版本快了近40倍！

虽然Rust在性能上有着明显的优势，但对于Python开发人员来说，Rust的语法并不优雅，学习曲线也比较陡峭。

如果能够在大型项目中使用Python作为主要语言，同时在需要提高性能的部分使用Rust来加速，那将会是一种非常棒的解决方案。

2 用Rust重写缓慢的Python函数

Python社区已经在这个想法上做了很多工作。有几种方法可以将低性能的Python函数重写为Rust。

其中一种流行的方法是使用PyO3，这是一个关于Rust绑定Python解释器的开源工具。下面看如何使用。

首先，需要安装一个名为maturin的模块：

pip install maturin

然后，通过以下命令初始化Rust所需的文件：

maturin init

如下面的截图所示，有几种方法可以执行Rust绑定，在此选择PyO3。

这一步将生成Rust绑定所需的文件和文件夹。现在需要做的是修改两个重要文件：Cargo.toml和lib.rs。

Cargo.toml是一个包清单。它以TOML格式编写，包含编译包所需的元数据。

在示例中，只需要将相对名称更改为rustFib，并保留其他设置的默认值。

[package]
name = "rustFib"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[lib]
name = "rustFib"
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
pyo3 = "0.19.0"

可以在lib.rs文件中编写Rust代码，并将其作为Python函数的替代品来提高程序的性能。：

use pyo3::prelude::*;

/// Rust中实现的Python函数
#[pyfunction]
fn fib(n: i32) -> u64 {
    match n {
        1 | 2 => 1,
        _ => fib(n - 1) + fib(n - 2)
    }
}

/// 将其作为Python模块。
#[pymodule]
fn rustFib(_py: Python, m: &PyModule) -> PyResult<()> {
    m.add_function(wrap_pyfunction!(fib, m)?)?;
    Ok(())
}

最后，只需要执行命令来编译Rust代码：

maturin develop

已经成功地用Rust构建了名为rustFib的Python包。它的速度会与原始Rust程序一样快吗？

现在在Python中使用看看：

import time
from rustFib import fib


def main(test_times=50):
    start = time.time()
    for _ in range(test_times):
        fib(30)
    print(f"Total time spent: {time.time() - start} s")

main()
# Total time spent: 0.17684102058410645 s

如上面的代码所示，总共花费的时间现在是0.176 ms。真的使Python程序像Rust一样快啦！