别再用CSV了，更高效的Python文件存储方案

Posted 2021-12-11 不想秃头的晨晨

别再用CSV了，更高效的Python文件存储方案

• 生成随机数据
• • 导入依赖
• 生成随机数据
• 保存文件
• • csv
• 写入
• 读取
• • csv + zip
  • pkl
  • npy
  • hdf
  • 已废弃 msgpack
  • parquet
  • feature
• 总结
• • 对比表格
  • 时间对比
  • 空间对比

CSV无可厚非的是一种良好的通用文件存储方式，几乎任何一款工具或者编程语言都能对其进行读写，但是当文件特别大的时候，CSV这种存储方式就会变得十分缓慢且低效。本文将介绍几种在Python中能够代替CSV这种格式的其他文件格式，并对比每种文件存储的时间与大小。

先说结论，parquet是最好的文件存储格式，具体对比见下文。

生成随机数据

导入依赖

import random
import string
import pickle
# 以下需要自行安装
import numpy as np
import pandas as pd
import tables
import pyarrow as pa
import pyarrow.feather as feather
import pyarrow.parquet as pq
import fastparquet as fp

生成随机数据

这里使用pandas的dataframe来存储数据

# 变量定义
row_num = int(1e7)
col_num = 5
str_len = 4
str_nunique = 10 # 字符串组合数量
# 生成随机数
int_matrix = np.random.randint(0, 100, size=(row_num, col_num))
df = pd.DataFrame(int_matrix, columns=['int_%d' % i for i in range(col_num)])
float_matrix = np.random.rand(row_num, col_num)
df = pd.concat(
    (df, pd.DataFrame(float_matrix, columns=['float_%d' % i for i in range(col_num)])), axis=1)
str_list = [''.join(random.sample(string.ascii_letters, str_len))
            for _ in range(str_nunique)]
for i in range(col_num):
    sr = pd.Series(str_list*(row_num//str_nunique)
                   ).sample(frac=1, random_state=i)
    df['str_%d' % i] = sr

print(df.info())

生成100w行数据，其中整型，浮点型和字符串各5列，数据大小在内存里大概为1GB+

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 10000000 entries, 0 to 9999999
Data columns (total 15 columns):
 #   Column   Dtype  
---  ------   -----  
 0   int_0    int64  
 1   int_1    int64  
 2   int_2    int64  
 3   int_3    int64  
 4   int_4    int64  
 5   float_0  float64
 6   float_1  float64
 7   float_2  float64
 8   float_3  float64
 9   float_4  float64
 10  str_0    object 
 11  str_1    object 
 12  str_2    object 
 13  str_3    object 
 14  str_4    object 
dtypes: float64(5), int64(5), object(5)
memory usage: 1.1+ GB

保存文件

csv

CSV的保存方式很简单，直接使用pandas自带的to_csv()方法即可
```python在这里插入代码片

写入

df.to_csv(’./df_csv.csv’, index=False)

读取

df = pd.read_csv(’./df_csv.csv’)

写入时间花费：78 s

读取时间花费：11.8 s

所需存储空间：1.3GB
## csv + gz
基于自带的压缩方法，对保存的csv文件使用gzip算法进行压缩
```python
# 写入
df.to_csv('./df_csv.csv.gz', index=False, compression='gzip')
# 读取
df = pd.read_csv('./df_csv.csv.gz', compression='gzip')

写入时间花费：259 s

读取时间花费：22.8 s

所需存储空间：508M

csv + zip

基于自带的压缩方法，对保存的csv文件使用zip算法进行压缩

# 写入
df.to_csv('./df_csv.csv.zip', index=False, compression='zip')
# 读取
df = pd.read_csv('./df_csv.csv.zip', compression='zip')

写入时间花费：177 s

读取时间花费：20.7 s

所需存储空间：511M

pkl

pkl文件需要用到built-in的pickle包

# 写入
with open('./df_pkl.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(df, f)
# 读取
with open('./df_pkl.pkl', 'rb') as f:
    df = pickle.load(f)

写入时间花费：2.89 s

读取时间花费：2.61 s

所需存储空间：858M

npy

npy是numpy自带的一种保存格式，唯一的缺点是只能保存numpy的格式，所以需要将pandas先转成numpy才行，为了公平，这里我们会算上转换的时间

# 写入
with open('./df_npy.npy', "wb") as f:
    np.save(f, arr=df.values)
# 读取
with open('./df_npy.npy', "rb") as f:
    df_array = np.load(f, allow_pickle=True)
df = pd.DataFrame(df_array)

hdf

层次数据格式(HDF)是自描述的，允许应用程序在没有外部信息的情况下解释文件的结构和内容。一个HDF文件可以包含一系列相关对象，这些对象可以作为一个组或单个对象进行访问。

这里将使用pandas自带的to_hdf()方法，该方法默认是用的HDF5格式

# 写入
df.to_hdf('df_hdf.h5', key='df')
# 读取
df = pd.read_hdf('df_hdf.h5', key='df')

写入时间花费：3.96 s

读取时间花费：4.13 s

所需存储空间：1.5G

已废弃 msgpack

pandas支持msgpack格式的对象序列化。他是一种轻量级可移植的二进制格式，同二进制的JSON类似，具有高效的空间利用率以及不错的写入（序列化）和读取（反序列化）性能。

从0.25版本开始，不推荐使用msgpack格式，并且之后的版本也将删除它。推荐使用pyarrow对pandas对象进行在线的转换。
read_msgpack() (opens new window)仅在pandas的0.20.3版本及以下版本兼容。

parquet

Apache Parquet为数据帧提供了分区的二进制柱状序列化。它的设计目的是使数据帧的读写效率，并使数据共享跨数据分析语言容易。Parquet可以使用多种压缩技术来尽可能地缩小文件大小，同时仍然保持良好的读取性能。

这里需要使用到pyarrow里面的方法来进行操作

# 写入
pq.write_table(pa.Table.from_pandas(df), 'df_parquet.parquet')
# 读取
df = pq.read_table('df_parquet.parquet').to_pandas()

写入时间花费：3.47 s

读取时间花费：1.85 s

所需存储空间：426M

feature

Feather是一种可移植的文件格式，用于存储内部使用Arrow IPC格式的Arrow表或数据帧(来自Python或R等语言)。Feather是在Arrow项目早期创建的，作为Python和R的快速、语言无关的数据帧存储概念的证明。

这里需要使用到pyarrow里面的方法来进行操作

# 写入
feather.write_feather(df, 'df_feather.feather')
# 读取
df = feather.read_feather('df_feather.feather')

写入时间花费：1.9 s

读取时间花费：1.52 s

所需存储空间：715M

总结

对比表格

时间对比

空间对比

可以看出parquet会是一个保存文件的最好选择，虽然时间上比feature略慢一点，但空间上有着更大的优势。

最后，感谢您的阅读。您的每个点赞、留言、分享都是对我们最大的鼓励，笔芯～

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