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與Python的速度較量：C++究竟有多快？

本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“讀芯術(shù)”(ID：AI_Discovery)。

創(chuàng)新互聯(lián)是一家集網(wǎng)站建設(shè),許昌企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),許昌品牌網(wǎng)站建設(shè),網(wǎng)站定制,許昌網(wǎng)站建設(shè)報(bào)價(jià),網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,許昌網(wǎng)站推廣為一體的創(chuàng)新建站企業(yè)，幫助傳統(tǒng)企業(yè)提升企業(yè)形象加強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?？沙浞譂M足這一群體相比中小企業(yè)更為豐富、高端、多元的互聯(lián)網(wǎng)需求。同時(shí)我們時(shí)刻保持專業(yè)、時(shí)尚、前沿，時(shí)刻以成就客戶成長(zhǎng)自我，堅(jiān)持不斷學(xué)習(xí)、思考、沉淀、凈化自己，讓我們?yōu)楦嗟钠髽I(yè)打造出實(shí)用型網(wǎng)站。

對(duì)于數(shù)據(jù)科學(xué)家而言，熱愛Python的理由數(shù)不勝數(shù)。但你是否也曾問(wèn)過(guò)這樣的問(wèn)題：Python和C或C++等更專業(yè)的低級(jí)編程語(yǔ)言究竟有何不同呢?我想這是很多數(shù)據(jù)科學(xué)家或者Python用戶曾經(jīng)問(wèn)過(guò)或者將來(lái)會(huì)問(wèn)自己的問(wèn)題。

Python和C++類語(yǔ)言之間存在許多區(qū)別，本文將通過(guò)一個(gè)十分簡(jiǎn)單的例子向你展示，與Python相比，C++究竟有多快。

為了說(shuō)明這種區(qū)別，本文選擇一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用而非想象虛構(gòu)的任務(wù)：生成固定值為“k”的所有可能DNA k-mers。選擇該示例，是因?yàn)榕c基因組相關(guān)的許多數(shù)據(jù)處理和任務(wù)分析(例如k-mers生成)都是計(jì)算密集型的，而這同樣也是很多生物信息學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)科學(xué)家對(duì)C++感興趣的原因。

請(qǐng)注意，本文目標(biāo)并不是以最有效的方式比較C++和Python。這兩種代碼均可采用更高效的方式和更優(yōu)化的方法編寫。本文的唯一目標(biāo)，就是比較這兩種語(yǔ)言在使用完全相同的算法和指令時(shí)的速度。

DNA K-mers簡(jiǎn)介

DNA是一種稱為核苷酸的長(zhǎng)鏈單位。在DNA中，共有4種核苷酸類型，分別用字母A、C、G和T表示。人類(更準(zhǔn)確地說(shuō)是智人)擁有核苷酸對(duì)30億個(gè)。例如，人類DNA的一小部分可能類似于：

ACTAGGGATCATGAAGATAATGTTGGTGTTTGTATGGTTTTCAGACAATT

在此示例中，如果從該字符串中選擇任意4個(gè)連續(xù)的核苷酸(即字母)，它將是一個(gè)長(zhǎng)度為4的k-mer(可稱之為4-mer)。以下便是從此示例中衍生出來(lái)的一些4-mers例子：ACTA，CTAG，TAGG，AGGG，GGGA等。

難點(diǎn)挑戰(zhàn)

本文以生成所有可能的13-mers為例，從數(shù)學(xué)上講，這是一個(gè)帶有替換的排列問(wèn)題。因此，共有413個(gè)(67108864)可能的13-mers。下面將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的算法在C++和Python中生成結(jié)果。

方案比較

為了方便比較C++和Python在此特定挑戰(zhàn)中的優(yōu)劣，我在兩種語(yǔ)言中使用了完全相同的算法。這兩種代碼均有意設(shè)計(jì)地簡(jiǎn)單而相似。同時(shí)，避免使用復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或第三方包或庫(kù)。第一段代碼采用Python編寫。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. defconvert(c):
    2. 
  
  
  
  
  2.                if (c =='A'): return'C'
    3. 
  
  
  
  
  3.                if (c =='C'): return'G'
    4. 
  
  
  
  
  4.                if (c =='G'): return'T'
    5. 
  
  
  
  
  5.                if (c =='T'): return'A'
    6. 
  
  
  
  
  6.              print("Start")
    7. 
  
  
  
  
  7.              opt ="ACGT"
    8. 
  
  
  
  
  8.             s =""
    9. 
  
  
  
  
  9.             s_last =""
    10. 
  
  
  
  
  10.             len_str =13
    11. 
  
  
  
  
  11.              for i inrange(len_str):
    12. 
  
  
  
  
  12.                s += opt[0]
    13. 
  
  
  
  
  13.              for i inrange(len_str):
    14. 
  
  
  
  
  14.                s_last += opt[-1]
    15. 
  
  
  
  
  15.              pos =0
    16. 
  
  
  
  
  16.             counter =1
    17. 
  
  
  
  
  17.             while (s != s_last):
    18. 
  
  
  
  
  18.                counter +=1
    19. 
  
  
  
  
  19.                # You can uncomment the next line to see all k-mers.
    20. 
  
  
  
  
  20.                # print(s)
    21. 
  
  
  
  
  21.                change_next =True
    22. 
  
  
  
  
  22.                for i inrange(len_str):
    23. 
  
  
  
  
  23.                     if (change_next):
    24. 
  
  
  
  
  24.                         if (s[i] == opt[-1]):
    25. 
  
  
  
  
  25.                             ss = s[:i] +convert(s[i]) + s[i+1:]
    26. 
  
  
  
  
  26.                             change_next =True
    27. 
  
  
  
  
  27.                         else:
    28. 
  
  
  
  
  28.                             ss = s[:i] +convert(s[i]) + s[i+1:]
    29. 
  
  
  
  
  29.                             break
    30. 
  
  
  
  
  30.              # You canuncomment the next line to see all k-mers.
    31. 
  
  
  
  
  31.             # print(s)
    32. 
  
  
  
  
  32.             print("Number ofgenerated k-mers: {}".format(counter))
    33. 
  
  
  
  
  33.             print("Finish!")
    34.

運(yùn)行Python代碼，生成全部13-mers共6700萬(wàn)個(gè)大約需要61.23秒。為了公平比較，我注釋掉了顯示k-mers的行。如果想在生成k-mers時(shí)顯示它們，也可以取消對(duì)這兩行的注釋。注意，顯示全部k-mers耗時(shí)很長(zhǎng)。如有需要，請(qǐng)操作CTRL+C中止代碼。

現(xiàn)在，來(lái)看看C++中同樣的算法：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. #include
    2. 
  
  
  
  
  2.            #include
    3. 
  
  
  
  
  3.              usingnamespacestd;
    4. 
  
  
  
  
  4.              charconvert(char c)
    5. 
  
  
  
  
  5.            {
    6. 
  
  
  
  
  6.               if (c == 'A') return'C';
    7. 
  
  
  
  
  7.               if (c == 'C') return'G';
    8. 
  
  
  
  
  8.               if (c == 'G') return'T';
    9. 
  
  
  
  
  9.               if (c == 'T') return'A';
    10. 
  
  
  
  
  10.               return' ';
    11. 
  
  
  
  
  11.            }
    12. 
  
  
  
  
  12.              intmain()
    13. 
  
  
  
  
  13.            {
    14. 
  
  
  
  
  14.               cout << "Start" << endl;
    15. 
  
  
  
  
  15.                  string opt = "ACGT";
    16. 
  
  
  
  
  16.               string s = "";
    17. 
  
  
  
  
  17.               string s_last = "";
    18. 
  
  
  
  
  18.               int len_str = 13;
    19. 
  
  
  
  
  19.               bool change_next;
    20. 
  
  
  
  
  20.                  for (int i=0; i
  
  
  
  
  21.               {
    22. 
  
  
  
  
  22.                    s += opt[0];
    23. 
  
  
  
  
  23.               }
    24. 
  
  
  
  
  24.                  for (int i=0; i
  
  
  
  
  25.               {
    26. 
  
  
  
  
  26.                    s_last += opt.back();
    27. 
  
  
  
  
  27.               }
    28. 
  
  
  
  
  28.                  int pos = 0;
    29. 
  
  
  
  
  29.               int counter = 1;
    30. 
  
  
  
  
  30.               while (s != s_last)
    31. 
  
  
  
  
  31.               {  
    32. 
  
  
  
  
  32.                    counter ++;
    33. 
  
  
  
  
  33.                    // You canuncomment the next line to see all k-mers.
    34. 
  
  
  
  
  34.                    // cout << s<< endl; 
    35. 
  
  
  
  
  35.                    change_next = true;
    36. 
  
  
  
  
  36.                    for (int i=0; i
  
  
  
  
  37.                    {
    38. 
  
  
  
  
  38.                        if (change_next)
    39. 
  
  
  
  
  39.                        {
    40. 
  
  
  
  
  40.                            if (s[i] == opt.back())
    41. 
  
  
  
  
  41.                            {
    42. 
  
  
  
  
  42.                                s[i] = convert(s[i]);
    43. 
  
  
  
  
  43.                                change_next = true;
    44. 
  
  
  
  
  44.                            } else {
    45. 
  
  
  
  
  45.                                s[i] = convert(s[i]);
    46. 
  
  
  
  
  46.                                break;
    47. 
  
  
  
  
  47.                            }
    48. 
  
  
  
  
  48.                        }
    49. 
  
  
  
  
  49.                    }
    50. 
  
  
  
  
  50.               }
    51. 
  
  
  
  
  51.                  // You can uncomment the next line tosee all k-mers.
    52. 
  
  
  
  
  52.               // cout << s << endl;
    53. 
  
  
  
  
  53.               cout << "Number of generated k-mers: " <
  
  
  
  
  54.               cout << "Finish!" << endl;
    55. 
  
  
  
  
  55.               return0;
    56. 
  
  
  
  
  56.            }
    57.

編譯后，運(yùn)行C++代碼，生成全部13-mers共6700萬(wàn)個(gè)大約需要2.42秒。這意味著運(yùn)行相同算法，Python用時(shí)是C++的25倍多。然后，對(duì)14-mers和15-mers重復(fù)進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)。匯總結(jié)果如下表所示：

比較生成13-、14-和15-mers的Python和C++運(yùn)行結(jié)果。

顯然，C++比Python快得多。對(duì)于大多數(shù)程序員和數(shù)據(jù)科學(xué)家而言，這是共識(shí)。但該示例表明，這種差異十分顯著。

本示例并沒(méi)有使用CPU或GPU并行化，因其必須針對(duì)相應(yīng)類型的問(wèn)題(密集并行難題)進(jìn)行。此外，示例也沒(méi)有大量涉及內(nèi)存。如果將運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)(出于某些特定原因)，那么使用內(nèi)存管理在運(yùn)行C++和Python時(shí)，將產(chǎn)生更顯著的差異。

此示例和數(shù)以千計(jì)的其他事實(shí)表明，在處理大量數(shù)據(jù)或指數(shù)增長(zhǎng)的過(guò)程中，身為數(shù)據(jù)科學(xué)家，你應(yīng)該了解C++類語(yǔ)言。


標(biāo)題名稱：與Python的速度較量：C++究竟有多快？
URL標(biāo)題：http://m.5511xx.com/article/djjjicj.html