کتاب آموزش زبان برنامه نویسی CYTHON

کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON نوشته‌ی کرت دبلیو اسمیت و آتیلا قشقایی راهنمایی است برای برنامه‌نویسان پایتون که می‌خواهند از مرزهای معمول این زبان عبور کنند و به سرعت و کارایی نزدیک به زبان‌های خانواده‌ی C و ++C برسند. موسسه فرهنگی هنری دیباگران تهران این کتاب را منتشر کرده است و متن فارسی آن بر پایه‌ی ترجمه و بازنویسی آتیلا قشقایی شکل گرفته است. نویسندگان در مقدمه توضیح داده‌اند که چگونه نیاز به سرعت در پروژه‌های واقعی، به‌ویژه در حوزه‌های کنترل، هوش مصنوعی، بینایی ماشین و محاسبات عددی، آن‌ها را به سمت استفاده از زبان هیبریدی Cython سوق داده است؛ زبانی که نحو پایتون را با سیستم تایپ استاتیک و کامپایل‌شونده‌ی C ترکیب می‌کند. ساختار کتاب از معرفی نیازمندی‌ها و پیش‌نیازها شروع می‌شود، سپس به نصب، کامپایل و اجرای کدهای Cython می‌رسد و در ادامه وارد مباحث عمیق‌تری مثل تایپ‌های استاتیک، سازماندهی پروژه‌ها، بسته‌بندی کتابخانه‌های C و ++C، بهینه‌سازی عملکرد، کار با آرایه‌ها، برنامه‌نویسی موازی و مقایسه Cython با سایر ابزارهای مشابه می‌شود. متن کتاب با مثال‌های متعدد، سنجش‌های زمانی و مقایسه‌ی نسخه‌های پایتون، C و Cython همراه است تا خواننده بتواند تأثیر واقعی این زبان را در سرعت اجرا ببیند. نسخه‌ی الکترونیکی این اثر را می‌توانید از طاقچه خرید و دانلود کنید.

درباره کتاب آموزش زبان برنامه نویسی CYTHON

کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON با تکیه‌بر تجربه‌ی کرت دبلیو اسمیت در فیزیک محاسباتی و کار آتیلا قشقایی در پروژه‌های صنعتی، از همان فصل اول مسئله‌ی اصلی خود را روشن می‌کند: پایتون زبانی قدرتمند و پرکاربرد است اما در حلقه‌های تودرتو، محاسبات سنگین عددی و پروژه‌های کنترلی، کندی آن آزاردهنده می‌شود. نویسنده در فصل «نیازمندی‌های Cython» نشان داده است که چگونه می‌توان با ترکیب نحو پایتون و سرعت C، به بهبودهایی در حد ده‌ها برابر در زمان اجرا رسید. در همین فصل، با مثال معروف دنباله‌ی فیبوناچی، چهار نسخه‌ی مختلف از پیاده‌سازی (پایتون خالص، C خالص، افزونه‌ی C دست‌نویس و نسخه‌ی Cython) مقایسه شده و سهم هر عامل مثل سربار فراخوانی تابع، حلقه‌زدن، عملیات ریاضی و تفاوت پشته و هیپ در سرعت نهایی تحلیل شده است. در ادامه‌ی همین فصل، کتاب توضیح داده است که چه کسانی باید این کتاب را بخوانند، چه کسانی بهتر است فعلاً سراغ آن نروند و چه سطحی از آشنایی با پایتون و C یا ++C برای استفاده‌ی مؤثر از Cython لازم است. کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON در فصل‌های بعدی به‌صورت گام‌به‌گام وارد جزئیات فنی می‌شود. فصل دوم «ترجمه و اجرای کدهای Cython» کانال دو مرحله‌ای کامپایل را توضیح داده است: تبدیل کد Cython به C یا ++C و سپس ساخت ماژول افزونه‌ی پایتون. در این فصل روش‌های مختلف کار معرفی شده است؛ از استفاده‌ی مستقیم از مفسر پایتون و دستورات جادویی IPython مثل ‎%%cython‎، تا نوشتن اسکریپت setup.py با distutils و ادغام Cython در سیستم‌های ساخت دیگر. فصل سوم با عنوان «Cython در عمق» به تفاوت مفسر و مترجم، تایپ دینامیک و استاتیک، و نقش اعلان نوع (cdef) در سرعت‌بخشیدن به کد می‌پردازد. در فصل‌های بعد، ساختاردهی پروژه‌ها با فایل‌های پیاده‌سازی ‎.pyx‎ و اعلان ‎.pxd‎، بسته‌بندی کتابخانه‌های C و ++C، تعریف تایپ‌های افزوده (کلاس‌های Cython)، کار با آرایه‌ها و پروتکل بافر، ابزارهای پروفایل و حاشیه‌نویسی عملکرد، برنامه‌نویسی موازی با ‎prange‎ و ‎nogil‎ و در نهایت مقایسه‌ی Cython با سایر کامپایلرهای مبتنی‌بر پایتون و پروژه‌های مرتبط پوشش داده شده است. در میان فصل‌ها دو فصل تمرینی نیز وجود دارد که در آن‌ها یک شبیه‌سازی منظومه‌ی شمسی و یک مسئله‌ی آرایه‌محور (هنجار طیفی) قدم‌به‌قدم از پایتون خالص به نسخه‌ی بهینه‌ی Cython تبدیل شده است.

خلاصه کتاب آموزش زبان برنامه نویسی CYTHON

کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON از مسئله‌ی مشخصی شروع می‌کند: پایتون برای توسعه‌ی سریع و خوانایی عالی است اما در بخش‌هایی از کد که شامل حلقه‌های سنگین، محاسبات عددی فشرده یا منطق تکرارشونده هستند، به‌مراتب کندتر از C عمل می‌کند. نویسنده ابتدا با مثال دنباله‌ی فیبوناچی نشان داده است که چگونه یک تابع ساده در چهار نسخه‌ی مختلف (پایتون، C، افزونه‌ی C دست‌نویس و Cython) رفتار می‌کند و با جدول زمان‌بندی دقیق، سهم سربار مفسر، فراخوانی تابع، حلقه‌زدن، عملیات ریاضی و تخصیص حافظه را جدا کرده است. نتیجه این است که اگر بتوان بخش‌های حساس را به کدی تبدیل کرد که به‌صورت بومی توسط کامپایلر C اجرا می‌شود، می‌توان به سرعتی در حد ده‌ها برابر پایتون رسید، بدون آنکه از محیط و کتابخانه‌های پایتون جدا شد. در ادامه، کتاب توضیح می‌دهد که Cython چیست و چگونه بین دنیای پایتون و C قرار می‌گیرد. Cython زبانی است که نحو آن تقریباً همان پایتون است اما امکان اعلان نوع‌های استاتیک C (با ‎cdef‎ و ‎cpdef‎) را فراهم می‌کند و کد حاصل را به C یا ++C تبدیل می‌کند. این کد سپس به‌عنوان ماژول افزونه‌ی پایتون کامپایل می‌شود و از دید پایتون یک ماژول عادی است. نویسنده نشان داده است که چگونه می‌توان کد پایتون موجود را به‌تدریج به Cython تبدیل کرد: ابتدا همان کد پایتون را در فایل ‎.pyx‎ قرار می‌دهد، سپس با افزودن اعلان نوع برای متغیرها و پارامترها، حلقه‌ها را به نسخه‌ی کامپایل‌شده‌ی سریع تبدیل می‌کند. در فصل‌های بعد، کتاب به سراغ موضوعاتی مثل استفاده از Cython برای بسته‌بندی کتابخانه‌های C و ++C، تعریف کلاس‌های سطح پایین (extension types)، سازماندهی پروژه‌ها با فایل‌های ‎.pxd‎، کار با آرایه‌ها و پروتکل بافر، استفاده از ابزارهای پروفایل و حاشیه‌نویسی برای یافتن گلوگاه‌ها، و در نهایت برنامه‌نویسی موازی با استفاده از ‎prange‎ و مدیریت ‎GIL‎ رفته است. در دو فصل تمرینی، این ایده‌ها روی دو پروژه‌ی واقعی‌تر پیاده شده‌اند: شبیه‌سازی منظومه‌ی شمسی و محاسبه‌ی هنجار طیفی، تا خواننده ببیند چگونه می‌توان از یک اسکریپت پایتون معمولی به نسخه‌ای رسید که از نظر سرعت با C رقابت می‌کند.

چرا باید کتاب آموزش زبان برنامه نویسی CYTHON را بخوانیم؟

کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON به‌طور مشخص برای کسانی نوشته شده است که با پایتون کار می‌کنند اما در بخشی از پروژه‌های خود به سقف سرعت این زبان برخورد کرده‌اند. متن کتاب نشان داده است که چگونه می‌توان بدون ترک اکوسیستم پایتون، به سرعتی نزدیک به C رسید؛ آن هم با حفظ نحو آشنا و امکان استفاده از کتابخانه‌های موجود. خواننده در این کتاب یاد می‌گیرد که کدام بخش‌های کد ارزش بهینه‌سازی دارند، چگونه با ابزارهای پروفایل گلوگاه‌ها را پیدا کند و بعد این بخش‌ها را با اعلان نوع‌های استاتیک، حلقه‌های کارآمد و حذف سربار مفسر به نسخه‌ی Cython تبدیل کند. ویژگی دیگر این کتاب تمرکز آن بر اتصال دنیای پایتون به کتابخانه‌های C و ++C است. نویسنده نشان داده است که چگونه می‌توان توابع و ساختارهای داده‌ی موجود در کدهای C را با چند خط اعلان در Cython به‌صورت «پایتونیک» درآورد و در اسکریپت‌های پایتون استفاده کرد. بخش‌های مربوط به سازماندهی پروژه‌ها، فایل‌های ‎.pyx‎ و ‎.pxd‎، و ادغام با ابزارهای ساخت، به خواننده کمک می‌کند که Cython را فقط برای آزمایش‌های کوچک به‌کار نگیرد بلکه آن را در پروژه‌های جدی و بزرگ وارد کند. فصل‌های پایانی درباره‌ی پروفایل، حاشیه‌نویسی عملکرد، کار با آرایه‌ها و برنامه‌نویسی موازی نیز نشان داده است که این زبان فقط برای یک بهینه‌سازی ساده نیست، بلکه می‌تواند ستون فقرات بخش‌های پرمصرف یک سامانه‌ی نرم‌افزاری مبتنی‌بر پایتون باشد.

خواندن این کتاب را به چه کسانی پیشنهاد می‌کنیم؟

خواندن کتاب آموزش زبان برنامه‌نویسی CYTHON به برنامه‌نویسان پایتون که با حلقه‌های سنگین، محاسبات عددی، پردازش داده‌ی حجیم یا پروژه‌های کنترلی و بلادرنگ سروکار دارند پیشنهاد می‌شود. این کتاب به کسانی پیشنهاد می‌شود که با مفاهیم پایه‌ی پایتون (توابع، کلاس‌ها، ماژول‌ها و کتابخانه‌های رایج) آشنا هستند و در کنار آن آشنایی حداقلی با C یا ++C دارند و می‌خواهند بدون رهاکردن پایتون، از سرعت و توان این زبان‌ها در پروژه‌های خود استفاده کنند. همچنین به پژوهشگران، مهندسان و دانشمندانی که در حوزه‌هایی مثل محاسبات علمی، بینایی ماشین و تحلیل داده از پایتون استفاده می‌کنند و به‌دنبال راهی برای کاهش زمان اجرای کدهای خود هستند پیشنهاد می‌شود.