چگونه با سایتون (Cython) کدنویسی کنیم و از مزایای آن بهره‌مند شویم؟

فایل‌های سایتون دارای پسوند.pyx هستند که بیان‌گر کدهای پایتون هستند که البته به صورت مستقیم قابل اجرا نیست. به بیان دقیق‌تر، کد .pyx را بباید به کد سی‌پلاس‌پلاس تبدیل کرد و با استفاده از کامپایلرهای رایج این زبان آن‌ها را به یک ماژول قابل اجرا تبدیل کرد.

یکی از ویژگی‌های قدرتمند سایتون این است که امکان استفاده از ویژگی‌های سی‌پلاس‌پلاس مثل تعریف متغیرهای ایستا، کدهای inline و دسترسی مستقیم به واسط‌های برنامه‌نویسی کاربردی سی‌پلاس‌پلاس را فراهم می‌کند. همچنین، می‌توانید از نوع‌های داده‌ای سی پلاس پلاس و ساختارهای داده‌ای آن‌ها در کدهای سایتون استفاده کنید.

سایتون اجازه می‌دهد در بخش‌هایی از برنامه‌تان که نیاز به عملکرد بالا و سرعت اجرای بهینه دارند، به زبان سی پلاس پلاس کدنویسی کنید و در بخش‌های دیگر از سادگی و قدرت بالای زبان پایتون بهره ببرید.

به طور معمول، سایتون در پروژه‌هایی استفاده می‌شود که نیاز به بهینه‌سازی سرعت اجرا دارند، مانند پردازش عددی، عملیات ماتریسی، الگوریتم‌های پیچیده و توابع مرتبط با عملیات ورودی/خروجی سیستم.

چگونه سایتون را نصب کنیم؟

برای نصب سایتون باید مراحل زیر را دنبال کنید:

1. نصب پایتون: سایتون به عنوان یک ابزار برنامه‌نویسی برای زبان پایتون عمل می‌کند. بنابراین، ابتدا باید پایتون را بر روی سیستم خود نصب کنید. می‌توانید از وب‌سایت رسمی (https://www.python.org/) نسخه‌ای از پایتون را برای سیستم عامل خود دانلود و نصب کنید.
2. مدیر بسته pip:  مدیر بسته pip یکی از محبوب‌ترین گزینه‌هایی است که برنامه‌نویسان پایتون از آن استفاده می‌کنند. این ابزار به شما امکان نصب و مدیریت بسته‌های پایتون را می‌دهد. بعد از نصب پایتون، pip به طور پیش‌فرض همراه با آن نصب می‌شود.
3. نصب سایتون: پس از نصب پایتون و pip، از طریق خط فرمان باید سایتون را با استفاده از pip نصب کنید. فرآیند نصب به شرح زیر است:

   pip install cython

   این دستور ابزار سایتون را از مخزن (PyPI) سرنام Python Package Index  دانلود و نصب می‌کند.

اطمینان از نصب درست: پس از اتمام فرآیند نصب، می‌توانید با اجرای دستور زیر در خط فرمان نسخه سایتون نصب شده را بررسی کنید:

   cython --version

اگر نسخه Cython به درستی نصب شده باشد، باید جزئیات مربوط به نسخه را ببینید. با نصب موفقیت‌آمیز سایتون، آماده استفاده از این ابزار برای تبدیل کد‌های پایتون به زبان سی‌پلاس‌پلاس هستید.

سایتون چه قابلیت‌های کاربردی دارد؟

این زبان برای افزایش کارایی و سرعت اجرای برنامه‌ها به کار می‌رود. برخی از قابلیت‌های کاربردی سایتون به شرح زیر هستند:

• اجرای سریع: سایتون به شما امکان می‌دهد کد پایتون خود را به کد سی‌پلاس‌پلاس بهینه‌سازی کنید و از این طریق سرعت اجرای برنامه‌ها را افزایش دهید. با استفاده از سایتون می‌توانید قسمت‌های زمان‌بر که اجرای عادی آن‌ها در پایتون زمان زیادی می‌طلبد را به نمونه‌های هم‌طراز در سی‌پلاس‌پلاس تبدیل کنید و به این شکل بر مشکل کندی سرعت کدهای پایتون غلبه کنید.
• انتقال دستورات به زبان سی‌پلاس‌پلاس: سایتون به شما اجازه می‌دهد کد پایتون خود را به زبان سی یا سی‌پلاس‌پلاس تبدیل کنید. این قابلیت به شما اجازه می‌دهد تا کدهای پایتون خود را به صورت مستقیم با کتابخانه‌ها و ابزارهای سی و سی پلاس پلاس مرتبط کنید.
• سازگاری با سی‌پلاس‌پلاس: سایتون اجازه می‌دهد به راحتی با کدها و کتابخانه‌های سی و سی‌پلاس‌پلاس در ارتباط باشید. شما می‌توانید کدهای سی یا سی‌پلاس‌پلاس خود را به سایتون وصل کنید و به راحتی قابلیت همکاری میان این دو زبان را افزایش دهید و و نتایج آن‌ها را در برنامه‌های پایتون خود استفاده کنید.

توجه داشته باشید که سایتون در اصل یک زبان برنامه‌نویسی است و برای استفاده از قابلیت‌های آن نیاز است که به زبان برنامه‌نویسی پایتون . سی‌پلاس‌پلاس آشنا باشید تا بتوانید از مزایای هر دو زبان به بهترین شکل استفاده کنید.

مثالی از کدنویسی در سایتون

اکنون اجازه دهید به مثالی ساده از نحوه کدنویسی سایتون اشاره کنیم.

1. ابتدا، یک فایل با پسوند .pyx بسازید. به طور مثال example.pyx.

2. سپس کد سایتون را در این فایل بنویسید. به عنوان مثال، کد ساده زیر را برای محاسبه جمع دو عدد در نظر بگیرید:

def add_numbers(a, b):

    return a + b

3.. اکنون باید کد سایتون را به زبان سی ترجمه کنیم. برای این کار، می‌توانید از ابزار cythonize استفاده کنید. برای ترجمه فایل .pyx به کد C، دستور زیر را در خط فرمان اجرا کنید:

cythonize -i example.pyx

این دستور، فایل example.pyx را به کد C ترجمه می‌کند و فایل example.c را ایجاد می‌کند.

4. در مرحله بعد، باید کد C را به کد زبان ماشین تبدیل کنیم تا قابلیت اجرا پیدا کند. برای این کار، می‌توانید از کامپایلر عادی C استفاده کنید. به طور مثال، اگر از GCC استفاده می‌کنید، دستور زیر را در خط فرمان اجرا کنید:

gcc -shared -pthread -fPIC -fwrapv -O2 -Wall -fno-strict-aliasing -I /usr/include/python3.8 -o example.so example.c

این دستور، فایل example.c را به یک فایل به نام example.so (یا example.dll در ویندوز) ترجمه می‌کند که می‌توانید آن را در برنامه‌های پایتون استفاده کنید.

5. اکنون می‌توانید از کد سایتون به عنوان یک ماژول در برنامه‌های پایتون خود استفاده کنید. برای این کار، فایل‌های .pyx و .so (یا .dll) را در کنار یکدیگر قرار داده و در برنامه پایتون خود از این ماژول استفاده کنید. به عنوان مثال:

import example

result = example.add_numbers(3, 5)

print("جمع دو عدد:", result)

در این مثال، ما ماژول example را وارد کرده و تابع add_numbers را از آن فراخوانی می‌کنیم. سپس نتیجه جمع دو عدد را چاپ می‌کنیم.

آیا می‌توانیم کدهای سایتون را در یک پروژه پایتون استفاده کنیم؟

پاسخ مثبت است. می‌توانید کدهای سایتون  را در یک پروژه پایتون استفاده کنید. سایتون تنظیماتی را برای این منظور در اختیارتان قرار می‌دهد. برای استفاده از کدهای سایتون در پروژه پایتون، کافی است مراحل زیر را دنبال کنید:

1. ابتدا، فایل سایتون (با پسوند .pyx) را در پروژه خود ایجاد کنید یا به پروژه‌ موجود اضافه کنید.

1. اگر قبلا سایتون را نصب نکرده‌اید، ابتدا آن را نصب کنید. می‌توانید این کار را با استفاده از pip انجام دهید:

pip install cython

3. سپس، یک فایل setup.py جدید ایجاد کنید یا به فایل setup.py پروژه خود اضافه کنید. این فایل برای تنظیمات سایتون و ترجمه کد سایتون به زبان C و ایجاد ماژول قابل استفاده در پروژه پایتون استفاده می‌شود.

from distutils.core import setup

from Cython.Build import cythonize

setup(

    ext_modules = cythonize("example.pyx")

)

در این مثال، example.pyx نام فایل سایتون شما است. در صورتی که بیش از یک فایل .pyx دارید، می‌توانید آن‌ها را به صورت لیست در cythonize قرار دهید.

4. حالا می‌توانید دستور زیر را در ترمینال اجرا کنید تا کد سایتون شما به زبان C ترجمه شود و فایل ماژول قابل استفاده ایجاد شود. برای این منظور دستور زیر را اجرا کنید.

python setup.py build_ext --inplace

این دستور، فایل Cython را به کد C ترجمه می‌کند و ماژول قابل استفاده را در پوشه‌ی پروژه شما ایجاد می‌کند.

5. در نهایت، می‌توانید از کدهای سایتون در پروژه‌  پایتون خود استفاده کنید. برای این کار، فایل .pyx را وارد کنید و توابع و کلاس‌های موجود در آن را استفاده کنید.

import example

result = example.add_numbers(3, 5)

print("جمع دو عدد:", result)

در این مثال، ما ماژول example را وارد کرده و تابع add_numbers را از آن فراخوانی کردیم. سپس، نتیجه جمع دو عدد را چاپ می‌کنیم. با این روش، می‌توانید کدهای سایتون را در پروژه‌ پایتون خود استفاده کرده و از قابلیت بهینه‌سازی و سرعت بالای سایتون بهره‌مند شوید.

نوع توابع cdef و cpdef

در سایتون، دو نوع تابع مهم برای تعریف توابع زبان برنامه نویسی C در پروژه پایتون وجود دارد: cdef و cpdef. این دو به شما اجازه استفاده از کد سی و بهره‌برداری از سرعت اجرای آن در محیط سایتون را می‌دهند، اما تفاوتی در روش اجرا و تعامل با محیط سایتون دارند.

• cdef: این نوع توابع کاملا مبتنی بر زبان سی هستند و در محیط سایتون اجرا می‌شوند. آن‌ها نمی‌توانند به عنوان توابع قابل فراخوانی در برنامه‌ پایتون مورد استفاده قرار بگیرند. به عبارت دیگر، آن‌ها از طریق کد سی قابل فراخوانی هستند و نمی‌توانند مستقیما از طریق پایتون فراخوانی شوند. این نوع توابع بهینه‌سازی بیشتری در مقایسه با cpdef دارند، اما نیازی به استفاده از واسط پایتون ندارند.
• cpdef: این نوع تابع‌ها ترکیبی از سی و پایتون هستند. آن‌ها به صورت سی تعریف می‌شوند و در محیط سایتون قابل اجرا هستند. همچنین، می‌توانند به عنوان توابع قابل فراخوانی در برنامه‌ پایتون استفاده شوند. با استفاده از cpdef، می‌توانید تابع را به صورت سی تعریف کنید و به سرعت اجرای سی دسترسی پیدا کنید. به طور معمول، cpdef برای توابعی که باید از طریق پایتون فراخوانی شوند و همچنین نیاز به بهینه‌سازی سرعت دارند، استفاده می‌شود.

در کل، استفاده از cdef و cpdef در Cython به وسیله‌ی انتخاب بین سرعت اجرا و قابلیت استفاده از توابع در محیط Python انجام می‌شود. با استفاده از cdef می‌توانید کدهای C خالص‌تری بنویسید و با استفاده از cpdef می‌توانید تابع را به صورت C تعریف کنید و در عین حال از آن در محیط Python استفاده کنید.