高性能python

Posted 2020-09-07

参考来源：Python金融大数据分析第八章

提高性能有如下方法

1、Cython,用于合并python和c语言静态编译泛型

2、IPython.parallel，用于在本地或者集群上并行执行代码

3、numexpr，用于快速数值运算

4、multiprocessing,python内建的并行处理模块

5、Numba，用于为cpu动态编译python代码

6、NumbaPro，用于为多核cpu和gpu动态编译python代码

 

为了验证相同算法在上面不同实现上的的性能差异，我们先定义一个测试性能的函数

def perf_comp_data(func_list, data_list, rep=3, number=1): 
    ‘‘‘Function to compare the performance of different functions. 
    Parameters 
    func_list : list 
    list with function names as strings

    data_list : list 
    list with data set names as strings 

    rep : int 
    number of repetitions of the whole comparison 
    
    number : int 
    number ofexecutions for every function 
    ‘‘‘
    from timeit import repeat 
    res_list = {} 
    for name in enumerate(func_list): 
        stmt = name[1] + ‘(‘ + data_list[name[0]] + ‘)‘ 
        setup = "from __main__ import " + name[1] + ‘,‘+ data_list[name[0]] 
        results = repeat(stmt=stmt, setup=setup, repeat=rep, number=number) 
        res_list[name[1]] = sum(results) / rep
    res_sort = sorted(res_list.items(), key = lambda item : item[1])
    for item in res_sort: 
        rel = item[1] / res_sort[0][1]
        print (‘function: ‘ + item[0] + ‘, av. time sec: %9.5f,   ‘ % item[1] + ‘relative: %6.1f‘ % rel)

定义执行的算法如下

from math import * 
def f(x): 
    return abs(cos(x)) ** 0.5 + sin(2 + 3 * x)

对应的数学公式是

生成数据如下

i=500000
a_py = range(i)

第一个实现f1是在内部循环执行f函数，然后将每次的计算结果添加到列表中，实现如下

def f1(a): 
    res = [] 
    for x in a: 
        res.append(f(x)) 
    return res

当然实现这种方案的方法不止一种，可以使用迭代器或eval函数,我自己加入了使用生成器和map方法的测试，发现结果有明显差距，不知道是否科学：

迭代器实现

def f2(a): 
    return [f(x) for x in a]

eval实现

def f3(a): 
    ex = ‘abs(cos(x)) **0.5+ sin(2 + 3 * x)‘ 
    return [eval(ex) for x in a] 

生成器实现

def f7(a): 
    return (f(x) for x in a)

map实现

def f8(a): 
    return map(f, a)

接下来是使用numpy的narray结构的几种实现

import numpy as np 
a_np = np.arange(i) 

def f4(a): 
    return (np.abs(np.cos(a)) ** 0.5 + np.sin(2 +  3 * a))

import numexpr as ne

def f5(a): 
    ex = ‘abs(cos(a)) ** 0.5 + sin( 2 + 3 * a)‘ 
    ne.set_num_threads(1) 
    return ne.evaluate(ex)

def f6(a): 
    ex = ‘abs(cos(a)) ** 0.5 + sin(2 + 3 * a)‘ 
    ne.set_num_threads(2) 
    return ne.evaluate(ex)

上面的f5和f6只是使用的处理器个数不同，可以根据自己电脑cpu的数目进行修改，也不是越大越好

下面进行测试

func_list = [‘f1‘, ‘f2‘, ‘f3‘, ‘f4‘, ‘f5‘, ‘f6‘, ‘f7‘, ‘f8‘] 
data_list = [‘a_py‘, ‘a_py‘, ‘a_py‘, ‘a_np‘, ‘a_np‘, ‘a_np‘, ‘a_py‘, ‘a_py‘]
perf_comp_data(func_list, data_list)

测试结果如下

function: f8, av. time sec:   0.00000,   relative:    1.0
function: f7, av. time sec:   0.00001,   relative:    1.7
function: f6, av. time sec:   0.03787,   relative: 11982.7
function: f5, av. time sec:   0.05838,   relative: 18472.4
function: f4, av. time sec:   0.09711,   relative: 30726.8
function: f2, av. time sec:   0.82343,   relative: 260537.0
function: f1, av. time sec:   0.92557,   relative: 292855.2
function: f3, av. time sec:  32.80889,   relative: 10380938.6

发现f8的时间最短，调大一下时间精度再测一次

function: f8, av. time sec: 0.000002483,   relative:    1.0
function: f7, av. time sec: 0.000004741,   relative:    1.9
function: f5, av. time sec: 0.028068110,   relative: 11303.0
function: f6, av. time sec: 0.031389788,   relative: 12640.6
function: f4, av. time sec: 0.053619114,   relative: 21592.4
function: f1, av. time sec: 0.852619225,   relative: 343348.7
function: f2, av. time sec: 1.009691877,   relative: 406601.7
function: f3, av. time sec: 26.035869787,   relative: 10484613.6

发现使用map的性能最高，生成器次之，其他方法的性能就差的很远了。但是使用narray数据的在一个数量级，使用python的list数据又在一个数量级。生成器的原理是并没有生成一个完整的列表，而是在内部维护一个next函数，通过一边循环迭代一遍生成下个元素的方法的实现的，所以他既不用在执行时遍历整个循环，也不用分配整个空间，它花费的时间和空间跟列表的大小是没有关系的，map与之类似，而其他实现都是跟列表大小有关系的。

 

未完，待续。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。