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Python呼叫C語言實作數獨計算邏輯提速100倍

2021-07-26 08:04:25 後端開發

之前我們實作python自動玩數獨游戲,詳見:《讓程式自動玩數獨游戲讓你秒變骨灰級數獨玩家》

鏈接:https://blog.csdn.net/as604049322/article/details/118583461

最終達到了這樣的效果:

img

img

中間我們將一個超難的數獨,程式計算耗時由17秒優化到3秒,有讀者希望將計算數獨的邏輯用C++改寫一遍重發,

完全不會C/C++的我,想到能否將計算邏輯用C語言或go語言重寫后,交給Python呼叫實作程式性能的進一步優化,經過幾十次瞎嘗試,順利用Python呼叫了c語言撰寫的計算邏輯,成功將程式優化到耗時1毫秒以內,后面也嘗試了python呼叫go語言,但是不知道如何通過python生成[]byte的splice物件,只好宣步失敗,也說明python借助ctypes呼叫go語言并不是那么隨心所欲,還是直接呼叫c語言來的方便,

下面看看python呼叫c語言的操作流程:

Python呼叫c語言

下載gcc編譯工具

作為非專業人士用MinGW就夠了,官方下載地址是:https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/

百度云下載地址:
https://pan.baidu.com/s/1ZmjQUf5QcBbeHCi7mIrYxg 提取碼: edc5

本人使用的是win10系統,經測驗x86_64-8.1.0-release-win32-seh-rt_v6-rev0好使,

下載并解壓后,將MinGW的bin目錄加入環境變數中:

image-20210723164055499

命令列執行gcc -v出現如下提示后說明安裝成功:

image-20210723164323150

C語言解數獨代碼

撰寫c語言的解數獨的代碼:

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef enum __bool { false = 0, true = 1, } bool;

int line[9];
int column[9];
int block[3][3];
bool valid;
int* spaces[81];
int spacesSize;

void flip(int i, int j, int digit) {
    line[i] ^= (1 << digit);
    column[j] ^= (1 << digit);
    block[i / 3][j / 3] ^= (1 << digit);
}

void dfs(char** board, int pos) {
    if (pos == spacesSize) {
        valid = 1;
        return;
    }

    int i = spaces[pos][0], j = spaces[pos][1];
    int mask = ~(line[i] | column[j] | block[i / 3][j / 3]) & 0x1ff;
    for (; mask && !valid; mask &= (mask - 1)) {
        int digitMask = mask & (-mask);
        int digit = __builtin_ctz(digitMask);
        flip(i, j, digit);
        board[i][j] = digit + '0' + 1;
        dfs(board, pos + 1);
        flip(i, j, digit);
    }
}

void solveSudoku(char** board) {
    memset(line, 0, sizeof(line));
    memset(column, 0, sizeof(column));
    memset(block, 0, sizeof(block));
    valid = 0;
    spacesSize = 0;

    for (int i = 0; i < 9; ++i) {
        for (int j = 0; j < 9; ++j) {
            if (board[i][j] != '.') {
                int digit = board[i][j] - '0' - 1;
                flip(i, j, digit);
            }
        }
    }

    while (true) {
        bool modified = false;
        for (int i = 0; i < 9; ++i) {
            for (int j = 0; j < 9; ++j) {
                if (board[i][j] == '.') {
                    int mask = ~(line[i] | column[j] | block[i / 3][j / 3]) & 0x1ff;
                    if (!(mask & (mask - 1))) {
                        int digit = __builtin_ctz(mask);
                        flip(i, j, digit);
                        board[i][j] = digit + '0' + 1;
                        modified = true;
                    }
                }
            }
        }
        if (!modified) {
            break;
        }
    }

    for (int i = 0; i < 9; ++i) {
        for (int j = 0; j < 9; ++j) {
            if (board[i][j] == '.') {
                spaces[spacesSize] = malloc(sizeof(int) * 2);
                spaces[spacesSize][0] = i;
                spaces[spacesSize++][1] = j;
            }
        }
    }

    dfs(board, 0);
}

上述函式,未撰寫main函式直接在c語言中測驗,而是在后續python呼叫中測驗通過,若有對c語言感興趣的童鞋,可以自行撰寫main函式,直接運行c程式進行測驗,

個人使用以下main函式進行測驗:

int main() {
    char *board[] ={
        "...6...3.", "5.....6..", ".9...5...",
        "..4.1...6", "...4.3...", "8...9.5..",
        "...7...4.", "..5.....8", ".3...8..."
    };
    for(int i=0;i<9;i++)
        printf ("%s\n",board[i]);
    solveSudoku((char**)board);
    for(int i=0;i<9;i++)
        printf ("%s\n",board[i]);
    return 0;
}

結果程式在solveSudoku的遞回呼叫中直接停止運行,無法得到結果,如果有對c語言編譯器比較熟悉的讀者,看看能不能給個簡單的解決方案,

但神奇的是,后續測驗發現Python卻能正常呼叫這個函式,真是神奇,這似乎說明有些c代碼無法在純c的環境中跑,需要在Python等其他高級環境中才能跑?間接性說明Python和c語言可以結合起來一起用,既能享受Python的便捷,又能享受c語言操作內部位元組的高效,

下面我們繼續操作:

將C代碼編譯為元件

假設上述代碼的檔案名是solveSudoku.c,使用如下命令編譯:

gcc -shared solveSudoku.c -o solveSudoku.dll

注意:以上編譯命令僅針對Windows平臺編譯測驗通過,Mac平臺可能需要-Wl和-fPIC引數

Python呼叫C語言

準備就緒,現在開始使用python來呼叫c語言,為了向c函式傳入二維char指標,著實讓我犯了難,在經過幾十次測驗后,居然實驗成功了一種方法,可能這個方法并不是最優的,但確實已經是一種簡單可行的方案,

最終撰寫的python代碼如下:

import time
from ctypes import *
from pprint import pprint


def solveSudoku(board: list):
    c_char_datas = (c_char_p * 9)()
    for i in range(9):
        row_chars = "".join(board[i]).encode('utf-8')
        c_char_datas[i] = c_char_p(row_chars)
    solve_sudoku_c = cdll.LoadLibrary('solveSudoku.dll').solveSudoku
    solve_sudoku_c(c_char_datas)
    return [list(row.decode()) for row in c_char_datas]


board = [
    ['.', '.', '.', '6', '.', '.', '.', '3', '.'],
    ['5', '.', '.', '.', '.', '.', '6', '.', '.'],
    ['.', '9', '.', '.', '.', '5', '.', '.', '.'],
    ['.', '.', '4', '.', '1', '.', '.', '.', '6'],
    ['.', '.', '.', '4', '.', '3', '.', '.', '.'],
    ['8', '.', '.', '.', '9', '.', '5', '.', '.'],
    ['.', '.', '.', '7', '.', '.', '.', '4', '.'],
    ['.', '.', '5', '.', '.', '.', '.', '.', '8'],
    ['.', '3', '.', '.', '.', '8', '.', '.', '.']
]
start = time.time()
pprint(board)
board = solveSudoku(board)
pprint(board)
print(f"耗時:{time.time() - start:.2f}s")

結果:

[['.', '.', '.', '6', '.', '.', '.', '3', '.'],
 ['5', '.', '.', '.', '.', '.', '6', '.', '.'],
 ['.', '9', '.', '.', '.', '5', '.', '.', '.'],
 ['.', '.', '4', '.', '1', '.', '.', '.', '6'],
 ['.', '.', '.', '4', '.', '3', '.', '.', '.'],
 ['8', '.', '.', '.', '9', '.', '5', '.', '.'],
 ['.', '.', '.', '7', '.', '.', '.', '4', '.'],
 ['.', '.', '5', '.', '.', '.', '.', '.', '8'],
 ['.', '3', '.', '.', '.', '8', '.', '.', '.']]
[['7', '4', '1', '6', '2', '9', '8', '3', '5'],
 ['5', '8', '2', '3', '4', '1', '6', '9', '7'],
 ['3', '9', '6', '8', '7', '5', '4', '2', '1'],
 ['9', '2', '4', '5', '1', '7', '3', '8', '6'],
 ['6', '5', '7', '4', '8', '3', '2', '1', '9'],
 ['8', '1', '3', '2', '9', '6', '5', '7', '4'],
 ['1', '6', '8', '7', '5', '2', '9', '4', '3'],
 ['2', '7', '5', '9', '3', '4', '1', '6', '8'],
 ['4', '3', '9', '1', '6', '8', '7', '5', '2']]
耗時:0.04s

非常棒,1毫秒內已經完成數獨題的解題,比之前用python撰寫的相同邏輯的代碼快了近100倍,

Python呼叫C進行數獨解題的完整代碼

那么之前的完整代碼可以修改為:

"""
小小明的代碼
CSDN主頁:https://blog.csdn.net/as604049322
"""
__author__ = '小小明'
__time__ = '2021/7/23 17:09'

from ctypes import *

from selenium import webdriver
from selenium.webdriver.common.by import By
from selenium.webdriver.support import expected_conditions as EC
from selenium.webdriver.support.ui import WebDriverWait

browser = webdriver.Chrome()
url = "https://www.sudoku.name/index.php?ln=cn&puzzle_num=&play=1&difficult=4&timer=&time_limit=0"
browser.get(url)

wait = WebDriverWait(browser, 10)

table = wait.until(EC.element_to_be_clickable(
    (By.CSS_SELECTOR, 'table#sudoku_main_board')))

board = []
for tr in table.find_elements_by_xpath(".//tr"):
    row = []
    for input_e in tr.find_elements_by_xpath(".//input[@class='i3']"):
        cell = input_e.get_attribute("value")
        row.append(cell if cell else ".")
    board.append(row)


def solveSudoku(board: list):
    c_char_datas = (c_char_p * 9)()
    for i in range(9):
        row_chars = "".join(board[i]).encode('utf-8')
        c_char_datas[i] = c_char_p(row_chars)
    solve_sudoku_c = cdll.LoadLibrary('solveSudoku.dll').solveSudoku
    solve_sudoku_c(c_char_datas)
    return [list(row.decode()) for row in c_char_datas]


board = solveSudoku(board)

for i, tr in enumerate(table.find_elements_by_xpath(".//tr")):
    for j, input_e in enumerate(tr.find_elements_by_xpath(".//input[@class='i3']")):
        if input_e.get_attribute("readonly") == "true":
            continue
        input_e.click()
        input_e.clear()
        input_e.send_keys(board[i][j])

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/houduan/290098.html

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