Python加速運(yùn)行技巧
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作者：張皓 文僅交流 侵刪
https://zhuanlan.zhihu.com/p/143052860
Python 是一種腳本語言，相比 C/C++ 這樣的編譯語言，在效率和性能方面存在一些不足。但是，有很多時(shí)候，Python 的效率并沒有想象中的那么夸張。本文對(duì)一些 Python 代碼加速運(yùn)行的技巧進(jìn)行整理。
0. 代碼優(yōu)化原則
本文會(huì)介紹不少的 Python 代碼加速運(yùn)行的技巧。在深入代碼優(yōu)化細(xì)節(jié)之前，需要了解一些代碼優(yōu)化基本原則。
第一個(gè)基本原則是不要過早優(yōu)化。很多人一開始寫代碼就奔著性能優(yōu)化的目標(biāo)，“讓正確的程序更快要比讓快速的程序正確容易得多”。因此，優(yōu)化的前提是代碼能正常工作。過早地進(jìn)行優(yōu)化可能會(huì)忽視對(duì)總體性能指標(biāo)的把握，在得到全局結(jié)果前不要主次顛倒。
第二個(gè)基本原則是權(quán)衡優(yōu)化的代價(jià)。優(yōu)化是有代價(jià)的，想解決所有性能的問題是幾乎不可能的。通常面臨的選擇是時(shí)間換空間或空間換時(shí)間。另外，開發(fā)代價(jià)也需要考慮。
第三個(gè)原則是不要優(yōu)化那些無關(guān)緊要的部分。如果對(duì)代碼的每一部分都去優(yōu)化，這些修改會(huì)使代碼難以閱讀和理解。如果你的代碼運(yùn)行速度很慢，首先要找到代碼運(yùn)行慢的位置，通常是內(nèi)部循環(huán)，專注于運(yùn)行慢的地方進(jìn)行優(yōu)化。在其他地方，一點(diǎn)時(shí)間上的損失沒有什么影響。
1. 避免全局變量
# 不推薦寫法。代碼耗時(shí)：26.8秒
import math
size = 10000
for x in range(size):
for y in range(size):
z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)許多程序員剛開始會(huì)用 Python 語言寫一些簡(jiǎn)單的腳本，當(dāng)編寫腳本時(shí)，通常習(xí)慣了直接將其寫為全局變量，例如上面的代碼。但是，由于全局變量和局部變量實(shí)現(xiàn)方式不同，定義在全局范圍內(nèi)的代碼運(yùn)行速度會(huì)比定義在函數(shù)中的慢不少。通過將腳本語句放入到函數(shù)中，通常可帶來 15% - 30% 的速度提升。
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：20.6秒
import math
def main(): # 定義到函數(shù)中，以減少全部變量使用
size = 10000
for x in range(size):
for y in range(size):
z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)
main()2. 避免.
2.1 避免模塊和函數(shù)屬性訪問
# 不推薦寫法。代碼耗時(shí)：14.5秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
for i in range(size):
result.append(math.sqrt(i))
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()每次使用.（屬性訪問操作符時(shí)）會(huì)觸發(fā)特定的方法，如__getattribute__()和__getattr__()，這些方法會(huì)進(jìn)行字典操作，因此會(huì)帶來額外的時(shí)間開銷。通過from import語句，可以消除屬性訪問。
# 第一次優(yōu)化寫法。代碼耗時(shí)：10.9秒
from math import sqrt
def computeSqrt(size: int):
result = []
for i in range(size):
result.append(sqrt(i)) # 避免math.sqrt的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()在第 1 節(jié)中我們講到，局部變量的查找會(huì)比全局變量更快，因此對(duì)于頻繁訪問的變量sqrt，通過將其改為局部變量可以加速運(yùn)行。
# 第二次優(yōu)化寫法。代碼耗時(shí)：9.9秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
sqrt = math.sqrt # 賦值給局部變量
for i in range(size):
result.append(sqrt(i)) # 避免math.sqrt的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()除了math.sqrt外，computeSqrt函數(shù)中還有.的存在，那就是調(diào)用list的append方法。通過將該方法賦值給一個(gè)局部變量，可以徹底消除computeSqrt函數(shù)中for循環(huán)內(nèi)部的.使用。
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：7.9秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt # 賦值給局部變量
for i in range(size):
append(sqrt(i)) # 避免 result.append 和 math.sqrt 的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()2.2 避免類內(nèi)屬性訪問
# 不推薦寫法。代碼耗時(shí)：10.4秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self._value = value
def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt
for _ in range(size):
append(sqrt(self._value))
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
result = demo_instance.computeSqrt(size)
main()避免.的原則也適用于類內(nèi)屬性，訪問self._value的速度會(huì)比訪問一個(gè)局部變量更慢一些。通過將需要頻繁訪問的類內(nèi)屬性賦值給一個(gè)局部變量，可以提升代碼運(yùn)行速度。
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：8.0秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self._value = value
def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt
value = self._value
for _ in range(size):
append(sqrt(value)) # 避免 self._value 的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
demo_instance.computeSqrt(size)
main()3. 避免不必要的抽象
# 不推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.55秒
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self.value = value
@property
def value(self) -> int:
return self._value
@value.setter
def value(self, x: int):
self._value = x
def main():
size = 1000000
for i in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
value = demo_instance.value
demo_instance.value = i
main()任何時(shí)候當(dāng)你使用額外的處理層（比如裝飾器、屬性訪問、描述器）去包裝代碼時(shí)，都會(huì)讓代碼變慢。大部分情況下，需要重新進(jìn)行審視使用屬性訪問器的定義是否有必要，使用getter/setter函數(shù)對(duì)屬性進(jìn)行訪問通常是 C/C++ 程序員遺留下來的代碼風(fēng)格。如果真的沒有必要，就使用簡(jiǎn)單屬性。
# 推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.33秒
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self.value = value # 避免不必要的屬性訪問器
def main():
size = 1000000
for i in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
value = demo_instance.value
demo_instance.value = i
main()4. 避免數(shù)據(jù)復(fù)制
4.1 避免無意義的數(shù)據(jù)復(fù)制
# 不推薦寫法，代碼耗時(shí)：6.5秒
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
value = range(size)
value_list = [x for x in value]
square_list = [x * x for x in value_list]
main()上面的代碼中value_list完全沒有必要，這會(huì)創(chuàng)建不必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或復(fù)制。
# 推薦寫法，代碼耗時(shí)：4.8秒
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
value = range(size)
square_list = [x * x for x in value] # 避免無意義的復(fù)制
main()另外一種情況是對(duì) Python 的數(shù)據(jù)共享機(jī)制過于偏執(zhí)，并沒有很好地理解或信任 Python 的內(nèi)存模型，濫用 copy.deepcopy()之類的函數(shù)。通常在這些代碼中是可以去掉復(fù)制操作的。
4.2 交換值時(shí)不使用中間變量
# 不推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.07秒
def main():
size = 1000000
for _ in range(size):
a = 3
b = 5
temp = a
a = b
b = temp
main()上面的代碼在交換值時(shí)創(chuàng)建了一個(gè)臨時(shí)變量temp，如果不借助中間變量，代碼更為簡(jiǎn)潔、且運(yùn)行速度更快。
# 推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.06秒
def main():
size = 1000000
for _ in range(size):
a = 3
b = 5
a, b = b, a # 不借助中間變量
main()4.3 字符串拼接用join而不是+
# 不推薦寫法，代碼耗時(shí)：2.6秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
result = ''
for str_i in string_list:
result += str_i
return result
def main():
string_list = list(string.ascii_letters * 100)
for _ in range(10000):
result = concatString(string_list)
main()當(dāng)使用a + b拼接字符串時(shí)，由于 Python 中字符串是不可變對(duì)象，其會(huì)申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間，將a和b分別復(fù)制到該新申請(qǐng)的內(nèi)存空間中。因此，如果要拼接 
個(gè)字符串，會(huì)產(chǎn)生 
個(gè)中間結(jié)果，每產(chǎn)生一個(gè)中間結(jié)果都需要申請(qǐng)和復(fù)制一次內(nèi)存，嚴(yán)重影響運(yùn)行效率。而使用join()拼接字符串時(shí)，會(huì)首先計(jì)算出需要申請(qǐng)的總的內(nèi)存空間，然后一次性地申請(qǐng)所需內(nèi)存，并將每個(gè)字符串元素復(fù)制到該內(nèi)存中去。
# 推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.3秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
return ''.join(string_list) # 使用 join 而不是 +
def main():
string_list = list(string.ascii_letters * 100)
for _ in range(10000):
result = concatString(string_list)
main()5. 利用if條件的短路特性
# 不推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.05秒
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
abbr_count = 0
result = ''
for str_i in string_list:
if str_i in abbreviations:
result += str_i
return result
def main():
for _ in range(10000):
string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
result = concatString(string_list)
main()if 條件的短路特性是指對(duì)if a and b這樣的語句， 當(dāng)a為False時(shí)將直接返回，不再計(jì)算b；對(duì)于if a or b這樣的語句，當(dāng)a為True時(shí)將直接返回，不再計(jì)算b。因此， 為了節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，對(duì)于or語句，應(yīng)該將值為True可能性比較高的變量寫在or前，而and應(yīng)該推后。
# 推薦寫法，代碼耗時(shí)：0.03秒
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
abbr_count = 0
result = ''
for str_i in string_list:
if str_i[-1] == '.' and str_i in abbreviations: # 利用 if 條件的短路特性
result += str_i
return result
def main():
for _ in range(10000):
string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
result = concatString(string_list)
main()6. 循環(huán)優(yōu)化
6.1 用for循環(huán)代替while循環(huán)
# 不推薦寫法。代碼耗時(shí)：6.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
sum_ = 0
i = 0
while i < size:
sum_ += i
i += 1
return sum_
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum_ = computeSum(size)
main()Python 的for循環(huán)比while循環(huán)快不少。
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：4.3秒
def computeSum(size: int) -> int:
sum_ = 0
for i in range(size): # for 循環(huán)代替 while 循環(huán)
sum_ += i
return sum_
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum_ = computeSum(size)
main()6.2 使用隱式for循環(huán)代替顯式for循環(huán)
針對(duì)上面的例子，更進(jìn)一步可以用隱式for循環(huán)來替代顯式for循環(huán)
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：1.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
return sum(range(size)) # 隱式 for 循環(huán)代替顯式 for 循環(huán)
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum = computeSum(size)
main()6.3 減少內(nèi)層for循環(huán)的計(jì)算
# 不推薦寫法。代碼耗時(shí)：12.8秒
import math
def main():
size = 10000
sqrt = math.sqrt
for x in range(size):
for y in range(size):
z = sqrt(x) + sqrt(y)
main()上面的代碼中sqrt(x)位于內(nèi)側(cè)for循環(huán)， 每次訓(xùn)練過程中都會(huì)重新計(jì)算一次，增加了時(shí)間開銷。
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：7.0秒
import math
def main():
size = 10000
sqrt = math.sqrt
for x in range(size):
sqrt_x = sqrt(x) # 減少內(nèi)層 for 循環(huán)的計(jì)算
for y in range(size):
z = sqrt_x + sqrt(y)
main()7. 使用numba.jit
我們沿用上面介紹過的例子，在此基礎(chǔ)上使用numba.jit。 numba可以將 Python 函數(shù) JIT 編譯為機(jī)器碼執(zhí)行，大大提高代碼運(yùn)行速度。關(guān)于numba的更多信息見下面的主頁：
# 推薦寫法。代碼耗時(shí)：0.62秒
import numba
@numba.jit
def computeSum(size: float) -> int:
sum = 0
for i in range(size):
sum += i
return sum
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum = computeSum(size)
main()8. 選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Python 內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如str, tuple, list, set, dict底層都是 C 實(shí)現(xiàn)的，速度非常快，自己實(shí)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)想在性能上達(dá)到內(nèi)置的速度幾乎是不可能的。
list類似于 C++ 中的std::vector，是一種動(dòng)態(tài)數(shù)組。其會(huì)預(yù)分配一定內(nèi)存空間，當(dāng)預(yù)分配的內(nèi)存空間用完，又繼續(xù)向其中添加元素時(shí)，會(huì)申請(qǐng)一塊更大的內(nèi)存空間，然后將原有的所有元素都復(fù)制過去，之后銷毀之前的內(nèi)存空間，再插入新元素。刪除元素時(shí)操作類似，當(dāng)已使用內(nèi)存空間比預(yù)分配內(nèi)存空間的一半還少時(shí)，會(huì)另外申請(qǐng)一塊小內(nèi)存，做一次元素復(fù)制，之后銷毀原有大內(nèi)存空間。因此，如果有頻繁的新增、刪除操作，新增、刪除的元素?cái)?shù)量又很多時(shí)，list的效率不高。此時(shí)，應(yīng)該考慮使用collections.deque。collections.deque是雙端隊(duì)列，同時(shí)具備棧和隊(duì)列的特性，能夠在兩端進(jìn)行 
復(fù)雜度的插入和刪除操作。
list的查找操作也非常耗時(shí)。當(dāng)需要在list頻繁查找某些元素，或頻繁有序訪問這些元素時(shí)，可以使用bisect維護(hù)list對(duì)象有序并在其中進(jìn)行二分查找，提升查找的效率。
另外一個(gè)常見需求是查找極小值或極大值，此時(shí)可以使用heapq模塊將list轉(zhuǎn)化為一個(gè)堆，使得獲取最小值的時(shí)間復(fù)雜度是 。
下面的網(wǎng)頁給出了常用的 Python 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)操作的時(shí)間復(fù)雜度：
參考資料
David Beazley & Brian K. Jones. Python Cookbook, Third edition. O'Reilly Media, ISBN: 9781449340377, 2013.
張穎 & 賴勇浩. 編寫高質(zhì)量代碼：改善Python程序的91個(gè)建議. 機(jī)械工業(yè)出版社, ISBN: 9787111467045, 2014.
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