有没有一种更快的方法将任意大整数转换为字节的大端序列？

Question

我有这个Python代码：

from struct import pack as _pack

def packl(lnum, pad = 1):
    if lnum < 0:
        raise RangeError("Cannot use packl to convert a negative integer "
                         "to a string.")
    count = 0
    l = []
    while lnum > 0:
        l.append(lnum & 0xffffffffffffffffL)
        count += 1
        lnum >>= 64
    if count <= 0:
        return '\0' * pad
    elif pad >= 8:
        lens = 8 * count % pad
        pad = ((lens != 0) and (pad - lens)) or 0
        l.append('>' + 'x' * pad + 'Q' * count)
        l.reverse()
        return _pack(*l)
    else:
        l.append('>' + 'Q' * count)
        l.reverse()
        s = _pack(*l).lstrip('\0')
        lens = len(s)
        if (lens % pad) != 0:
            return '\0' * (pad - lens % pad) + s
        else:
            return s

在我的机器上，将2**9700 - 1转换为一个字节字符串大约需要174 usec。如果我愿意使用Python 2.7和Python 3.x特定的bit_length方法，我可以通过预先将l数组在一开始就精确地分配为正确的大小，并使用l[something] =语法而不是l.append来将其缩短为159个usecs。

我能做些什么来加快速度吗？这将用于转换加密中使用的大素数以及一些（但不是很多）较小的数。

编辑

这是Python<；3.2中当前速度最快的选项，接受答案的时间大约是两个方向的一半：

def packl(lnum, padmultiple=1):
    """Packs the lnum (which must be convertable to a long) into a
       byte string 0 padded to a multiple of padmultiple bytes in size. 0
       means no padding whatsoever, so that packing 0 result in an empty
       string.  The resulting byte string is the big-endian two's
       complement representation of the passed in long."""

    if lnum == 0:
        return b'\0' * padmultiple
    elif lnum < 0:
        raise ValueError("Can only convert non-negative numbers.")
    s = hex(lnum)[2:]
    s = s.rstrip('L')
    if len(s) & 1:
        s = '0' + s
    s = binascii.unhexlify(s)
    if (padmultiple != 1) and (padmultiple != 0):
        filled_so_far = len(s) % padmultiple
        if filled_so_far != 0:
            s = b'\0' * (padmultiple - filled_so_far) + s
    return s

def unpackl(bytestr):
    """Treats a byte string as a sequence of base 256 digits
    representing an unsigned integer in big-endian format and converts
    that representation into a Python integer."""

    return int(binascii.hexlify(bytestr), 16) if len(bytestr) > 0 else 0

在Python 3.2中，int类有to_bytes和from_bytes函数，它们可以比上面给出的方法更快地实现这一点。

Answer 1

我想你真的应该使用numpy，我肯定它有一些内置的东西。使用array模块也可能更快。但我还是要试试看。

IMX，创建一个生成器并使用一个列表理解和/或内置求和比附加到列表的循环快，因为附加可以在内部完成。哦，而且大绳上的“lstrip”一定很贵。

另外，一些样式点：特殊情况不够特殊；而且您似乎没有得到关于新x if y else z构造的备忘录。：）尽管我们不需要它。；）

from struct import pack as _pack


Q_size = 64
Q_bitmask = (1L << Q_size) - 1L


def quads_gen(a_long):
    while a_long:
        yield a_long & Q_bitmask
        a_long >>= Q_size


def pack_long_big_endian(a_long, pad = 1):
    if lnum < 0:
        raise RangeError("Cannot use packl to convert a negative integer "
                         "to a string.")
    qs = list(reversed(quads_gen(a_long)))
    # Pack the first one separately so we can lstrip nicely.
    first = _pack('>Q', qs[0]).lstrip('\x00')
    rest = _pack('>%sQ' % len(qs) - 1, *qs[1:])
    count = len(first) + len(rest)
    # A little math trick that depends on Python's behaviour of modulus
    # for negative numbers - but it's well-defined and documented
    return '\x00' * (-count % pad) + first + rest

Answer 2

这里有一个通过ctypes调用Python/C API的解决方案。目前，它使用的是NumPy，但如果NumPy不是一个选项，那么它完全可以使用ctypes来完成。

import numpy
import ctypes
PyLong_AsByteArray = ctypes.pythonapi._PyLong_AsByteArray
PyLong_AsByteArray.argtypes = [ctypes.py_object,
                               numpy.ctypeslib.ndpointer(numpy.uint8),
                               ctypes.c_size_t,
                               ctypes.c_int,
                               ctypes.c_int]

def packl_ctypes_numpy(lnum):
    a = numpy.zeros(lnum.bit_length()//8 + 1, dtype=numpy.uint8)
    PyLong_AsByteArray(lnum, a, a.size, 0, 1)
    return a

在我的机器上，这比你的方法快15倍。

编辑：这里是相同的代码，只使用ctypes，返回字符串而不是NumPy数组：

import ctypes
PyLong_AsByteArray = ctypes.pythonapi._PyLong_AsByteArray
PyLong_AsByteArray.argtypes = [ctypes.py_object,
                               ctypes.c_char_p,
                               ctypes.c_size_t,
                               ctypes.c_int,
                               ctypes.c_int]

def packl_ctypes(lnum):
    a = ctypes.create_string_buffer(lnum.bit_length()//8 + 1)
    PyLong_AsByteArray(lnum, a, len(a), 0, 1)
    return a.raw

这是另外两倍的速度，在我的机器上总共是30倍的加速系数。

Answer 3

为了完整起见，也为了将来读者了解这个问题：

从Python 3.2开始，有一些函数^{}和^{}以字节顺序的选择执行bytes和int对象之间的转换。