Cython返回的memoryview始终被视为未初始化，如何避免GIL获取？

问题背景 #

我遇到的问题和《Cython Memoryview as return value》类似，但除了修改生成的C代码外，没找到其他可行方案。我使用Cython 3.0，测试过低版本，结果一致。

示例代码（原始版本） #

# cython: language_level=3, boundscheck=False, cdivision=True, wraparound=False, initializedcheck=False, nonecheck=False
cimport cython
from cython cimport floating
import numpy as np
cimport numpy as np

np.import_array()

def test_func():
    cdef np.ndarray[float, ndim=2] arr = np.zeros((5, 5), dtype=np.float32)
    cdef float[:, ::1] arr_view = arr
    _run(arr_view)

cdef void _run(floating[:, ::1] arr_view) noexcept nogil:
    cdef floating[:, :] tmp = _get_upper_left_corner(arr_view)

cdef inline floating[:, :] _get_upper_left_corner(floating[:, ::1] arr) noexcept nogil:
    return arr[:-1, :-1]

问题现象 #

运行cython -a cython_test.pyx后发现：

• _get_upper_left_corner函数生成的C代码中包含获取GIL的内存视图初始化逻辑
• 调用者_run即使在执行成功的情况下，结尾也会获取GIL进行内存视图清理

生成的C代码片段（_get_upper_left_corner部分）：

static CYTHON_INLINE __Pyx_memviewslice __pyx_fuse_0__pyx_f_11cython_test__get_upper_left_corner(__Pyx_memviewslice __pyx_v_arr) {
  __Pyx_memviewslice __pyx_r = { 0, 0, { 0 }, { 0 }, { 0 } };
/* … */
  /* function exit code */
  __pyx_L1_error:;
  #ifdef WITH_THREAD
  __pyx_gilstate_save = __Pyx_PyGILState_Ensure();
  #endif
  __PYX_XCLEAR_MEMVIEW(&__pyx_t_1, 1);
  __pyx_r.data = NULL;
  __pyx_r.memview = NULL;
  __Pyx_AddTraceback("cython_test._get_upper_left_corner", __pyx_clineno, __pyx_lineno, __pyx_filename);
  goto __pyx_L2;
  __pyx_L0:;
  if (unlikely(!__pyx_r.memview)) {
    #ifdef WITH_THREAD
    PyGILState_STATE __pyx_gilstate_save = __Pyx_PyGILState_Ensure();
    #endif
    PyErr_SetString(PyExc_TypeError, "Memoryview return value is not initialized");
    #ifdef WITH_THREAD
    __Pyx_PyGILState_Release(__pyx_gilstate_save);
    #endif
  }
  #ifdef WITH_THREAD
  __Pyx_PyGILState_Release(__pyx_gilstate_save);
  #endif
  __pyx_L2:;
  return __pyx_r;
}

简化测试代码 #

# cython: language_level=3, boundscheck=False, cdivision=True, wraparound=False, initializedcheck=False, nonecheck=False

cdef float[:] get_upper_left_corner(float[:] arr) noexcept nogil:
    return arr[:2]

解决方案 #

要实现不获取GIL、不复制数组返回memoryview，核心是手动构造Cython底层的__Pyx_memviewslice结构体，绕过自动生成的带GIL的错误处理和初始化逻辑。

单维度切片实现 #

# cython: language_level=3, boundscheck=False, cdivision=True, wraparound=False, initializedcheck=False, nonecheck=False
cimport cython

cdef float[:] get_upper_left_corner(float[:] arr) noexcept nogil:
    cdef __Pyx_memviewslice result
    # 复用原视图的内存指针和memview对象
    result.data = arr.data
    result.memview = arr.memview
    # 设置切片后的形状：取前2个元素
    result.shape[0] = 2
    # 步长与原视图一致
    result.strides[0] = arr.strides[0]
    # 维度数和子偏移保持原视图设置
    result.ndim = 1
    result.suboffsets[0] = arr.suboffsets[0]
    return result

多维度切片实现 #

# cython: language_level=3, boundscheck=False, cdivision=True, wraparound=False, initializedcheck=False, nonecheck=False
cimport cython
from cython cimport floating

cdef void _run(floating[:, ::1] arr_view) noexcept nogil:
    cdef floating[:, :] tmp = _get_upper_left_corner(arr_view)

cdef inline floating[:, :] _get_upper_left_corner(floating[:, ::1] arr) noexcept nogil:
    cdef __Pyx_memviewslice res
    # 复用原视图的基础资源
    res.memview = arr.memview
    res.data = arr.data
    # 设置切片后的二维形状：行数-1，列数-1
    res.shape[0] = arr.shape[0] - 1
    res.shape[1] = arr.shape[1] - 1
    # 步长与原视图一致
    res.strides[0] = arr.strides[0]
    res.strides[1] = arr.strides[1]
    # 维度数和子偏移保持原设置
    res.ndim = 2
    res.suboffsets[0] = arr.suboffsets[0]
    res.suboffsets[1] = arr.suboffsets[1]
    return res

原理说明 #

• Cython自动生成的代码会添加边界检查、内存视图对象初始化等逻辑，这些操作依赖GIL；
• 手动构造结构体时，因为已经通过编译参数（boundscheck=False等）确保切片安全，可跳过这些检查，完全在nogil环境下执行；
• 复用原视图的memview指针，无需创建新的Python内存视图对象，避免了GIL相关的引用计数操作。

注意事项 #

• 必须确保切片操作的安全性（比如原数组长度足够），关闭边界检查后越界会直接导致内存错误；
• 返回的切片依赖原内存视图的生命周期，原视图不能被提前释放；
• 该方案仅适用于只读或不修改原数据元信息的场景，若需修改切片元数据需额外处理；
• 若要避免调用者函数结尾的GIL获取，需确保内存视图变量的清理逻辑不涉及Python对象操作，可通过手动管理生命周期实现。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者djhoese