介紹

當 Python 的全域解釋器鎖定 (GIL) 成為需要高並發或原始效能的機器學習應用程式的瓶頸時，C 提供了一個引人注目的替代方案。這篇部落格文章探討如何利用 C 語言進行 ML，並專注於效能、並發性以及與 Python 的整合。

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了解 GIL 瓶頸

在深入探討 C 之前，我們先澄清一下 GIL 的影響：

• 並發限制：GIL 確保一次只有一個執行緒執行 Python 字節碼，這會嚴重限制多執行緒環境中的效能。

• 受影響的用例：即時分析、高頻交易或密集模擬中的應用程式經常受到此限制。

為什麼選擇 C 進行機器學習？

• 沒有 GIL：C 沒有與 GIL 等效的東西，允許真正的多線程。

• 效能：直接記憶體管理與最佳化功能可以帶來顯著的加速。

• 控制：對硬體資源的細微控制，對於嵌入式系統或與專用硬體連接時至關重要。

程式碼範例和實現

設定環境

在我們編碼之前，請確保您擁有：

• 現代 C 編譯器（GCC、Clang）。
• CMake 用於專案管理（可選但建議）。
• 像 Eigen 這樣的線性代數運算的函式庫。

C 中的基本線性迴歸

#include 
#include 
#include 

class LinearRegression {
public:
    double slope = 0.0, intercept = 0.0;

    void fit(const std::vector& X, const std::vector& y) {
        if (X.size() != y.size()) throw std::invalid_argument("Data mismatch");

        double sum_x = 0, sum_y = 0, sum_xy = 0, sum_xx = 0;
        for (size_t i = 0; i  x = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector y = {2, 4, 5, 4, 5};

    lr.fit(x, y);

    std::cout 




  
  
  使用 OpenMP 進行平行訓練


展示併發性：



#include 
#include 

void parallelFit(const std::vector& X, const std::vector& y, 
                 double& slope, double& intercept) {
    #pragma omp parallel
    {
        double local_sum_x = 0, local_sum_y = 0, local_sum_xy = 0, local_sum_xx = 0;

        #pragma omp for nowait
        for (int i = 0; i 




  
  
  使用特徵值進行矩陣運算


對於邏輯迴歸等更複雜的操作：



#include 
#include 

Eigen::VectorXd sigmoid(const Eigen::VectorXd& z) {
    return 1.0 / (1.0   (-z.array()).exp());
}

Eigen::VectorXd logisticRegressionFit(const Eigen::MatrixXd& X, const Eigen::VectorXd& y, int iterations) {
    Eigen::VectorXd theta = Eigen::VectorXd::Zero(X.cols());

    for (int i = 0; i 




  
  
  與Python集成


對於 Python 集成，請考慮使用 pybind11:



#include 
#include 
#include "your_ml_class.h"

namespace py = pybind11;

PYBIND11_MODULE(ml_module, m) {
    py::class_(m, "YourMLClass")
        .def(py::init())
        .def("fit", &YourMLClass::fit)
        .def("predict", &YourMLClass::predict);
}




這允許您從 Python 呼叫 C 程式碼，如下所示：



import ml_module

model = ml_module.YourMLClass()
model.fit(X_train, y_train)
predictions = model.predict(X_test)





  
  
  挑戰與解決方案



記憶體管理：使用智慧指標或自訂記憶體分配器來有效率且安全地管理記憶體。 
錯誤處理：C 沒有 Python 的異常處理來進行開箱即用的錯誤管理。實施強大的異常處理。 
庫支援：雖然 C 的 ML 函式庫比 Python 少，但 Dlib、Shark 和 MLpack 等專案提供了強大的替代方案。 



  
  
  結論


C 提供了一種繞過 Python 的 GIL 限制的途徑，為效能關鍵的 ML 應用程式提供了可擴展性。雖然由於其較低的性質，它需要更仔細的編碼，但速度、控制和並發性方面的好處可能是巨大的。隨著 ML 應用程式不斷突破界限，C 仍然是 ML 工程師工具包中的重要工具，尤其是與 Python 結合使用以方便使用時。 


  
  
  進一步探索




SIMD 操作：研究如何使用 AVX、SSE 來獲得更大的效能提升。 

CUDA for C ：用於 ML 任務中的 GPU 加速。 

進階 ML 演算法：以 C 語言實作神經網路或 SVM，以實現效能關鍵型應用。 



  
  
  感謝您與我一起深入研究！


感謝您花時間與我們一起探索 C 在機器學習中的巨大潛力。我希望這趟旅程不僅能啟發您克服 Python 的 GIL 限制，還能夠啟發您在下一個 ML 專案中嘗試使用 C。您對學習和突破技術極限的奉獻精神是推動創新前進的動力。不斷嘗試，不斷學習，最重要的是，不斷與社區分享您的見解。在我們下一次深入研究之前，祝您編碼愉快！