独家 | 带你入门比Python更高效的Numpy（附代码）

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独家 | 带你入门比Python更高效的Numpy（附代码）

2018 年 7 月 16 日 数据派THU

作者：TIRTHAJYOTI SARKAR

翻译：闫晓雨

校对：Uynix

本文约1790字，建议阅读4分钟。

数据科学家介绍了向量化技巧，简单的数学变化可以通过可迭代对象执行。

简介

向量化技巧对于数据科学家来说是相当熟知的，并且常用于编程中，以加速整体数据转换，其中简单的数学变化通过可迭代对象（例如列表）执行。未受到重视的是，把有一定规模的代码模块，如条件循环，进行矢量化，也能带来一些好处。

正文

Python正在迅速成为数据科学家的编程实战语言。但与R或Julia不同的是，它是通用型编程语言，没有功能语法来立即开始分析和转换数值数据。所以，它需要专门的库。

Numpy是Numerical Python的缩写，是Python生态系统中高性能科学计算和数据分析所需的基础软件包。它是几乎所有高级工具（如Pandas和scikit-learn）的基础。

TensorFlow使用NumPy数组作为基础构建模块，在这些模块的基础上，他们为深度学习任务（在长列表/向量/数字矩阵上大量使用线性代数运算）构建了张量对象（Tensor objects）和图形流（graphflow）许多Numpy操作都是用C语言实现的，避免了Python中循环的基本代价，即指针间接寻址和每个元素的动态类型检查。速度的提升取决于您正在执行的操作。对于数据科学和现代机器学习的任务来说，这是一个非常宝贵的优势。

我最近一篇文章讲了使用Numpy向量化简单数据转换任务的优势，它引起了一些联想，并受到读者的欢迎。关于代码简化等矢量化的效用，也有一些有趣的讨论。

现在，基于某些预定义条件的数学转换在数据科学任务中相当普遍。事实证明，通过首先转换为函数然后使用numpy.vectorize方法，可以轻松地对条件循环的简单模块进行矢量化。在我之前的文章中，我展示了Numpy矢量化简单数学变换后一个数量级的速度提升。对于目前的情况来说，由于内部条件循环仍然效率低下，速度提升并不那么显着。但是，与其他纯粹Python代码相比，执行时间至少要提高20-50％。

以下是演示它的简单代码：

import numpy as np

from math import sin as sn

import matplotlib.pyplot as plt

import time

# 测试数量

N_point = 1000

# 定义一个有if else循环的函数

def myfunc(x,y):

  if (x>0.5*y and y<0.3): return (sn(x-y))

  elif (x<0.5*y): return 0

  elif (x>0.2*y): return (2*sn(x+2*y))

  else: return (sn(y+x))

# 从正态分布产生存储元素的列表

lst_x = np.random.randn(N_point)

lst_y = np.random.randn(N_point)

lst_result = []

# 可选择画出数据分布

plt.hist(lst_x,bins=20)

plt.show()

plt.hist(lst_y,bins=20)

plt.show()

# 首先，纯粹的Python代码

t1=time.time()

First, plain vanilla for-loop

t1=time.time()

for i in range(len(lst_x)):

    x = lst_x[i]

    y= lst_y[i]

    if (x>0.5*y and y<0.3):

        lst_result.append(sn(x-y))

    elif (x<0.5*y):

        lst_result.append(0)

    elif (x>0.2*y):

        lst_result.append(2*sn(x+2*y))

    else:

        lst_result.append(sn(y+x))

t2=time.time()

print("\nTime taken by the plain vanilla for-loop\n----------------------------------------------\n{} us".format(1000000*(t2-t1)))

# List comprehension

print("\nTime taken by list comprehension and zip\n"+'-'*40)

%timeit lst_result = [myfunc(x,y) for x,y in zip(lst_x,lst_y)]

# Map() 函数

print("\nTime taken by map function\n"+'-'*40)

%timeit list(map(myfunc,lst_x,lst_y))

# Numpy.vectorize 方法

print("\nTime taken by numpy.vectorize method\n"+'-'*40)

vectfunc = np.vectorize(myfunc,otypes=[np.float],cache=False)

%timeit list(vectfunc(lst_x,lst_y))

# 结果

Time taken by the plain vanilla for-loop

----------------------------------------------

2000.0934600830078 us

Time taken by list comprehension and zip

----------------------------------------

1000 loops, best of 3: 810 µs per loop

Time taken by map function

----------------------------------------

1000 loops, best of 3: 726 µs per loop

Time taken by numpy.vectorize method

----------------------------------------

1000 loops, best of 3: 516 µs per

请注意，我已经在任何可以把表达式用一行语句来实现的地方使用了％timeit Jupyter魔术命令。这样我就可以有效运行超过1000个相同表达式的循环，来计算平均执行时间以避免任何随机效应。因此，如果您在Jupyter Notebook中运行整个脚本，则可能会出现与第一种情况（即普通循环执行）略有不同的结果，但接下来的三种应该会给出非常一致的趋势（基于您的计算机硬件）。

我们看到的证据表明，对于基于一系列条件检查的数据转换任务，与一般Python方法相比，使用Numpy的向量化方法通常会使速度提高20-50％。

这貌似不是一个显著改进，但节省的每一点时间都可以加入数据科学工作流程中，从长远来看是值得的！如果数据科学工作要求这种转换发生一百万次，那么可能会导致短则八小时，长则两天的差异。

简而言之，任何时候你有长的数据列表并需要对它们进行数学转换，都应强烈考虑将这些Python数据结构（列表或元组或字典）转换为numpy.ndarray对象并使用自带的向量化功能。

Numpy提供了一个用于更快代码执行的C应用程序接口（C-API），但是它失去了Python编程的简单性。这个Scipy讲义能告诉你在这方面的所有相关选项。

法国神经科学研究人员撰写了关于该主题的完整开源在线书籍。看看这里。

作者的话

如果您有任何问题或想法可以分享，请联系作者tirthajyoti [AT] gmail.com。您也可以在作者的GitHub仓库以获取Python，R或MATLAB的代码片段以及机器学习相关资源。如果你像我一样热衷于机器学习/数据科学/半导体，请随时在LinkedIn上添加我。

作者简介

Tirthajyoti Sarkar ，半导体从业人员，数据科学与机器学习爱好者。使用Python\R\Matlab进行数据科学和机器学习的实践者。半导体专业人员。伊利诺伊大学电子工程博士。在三藩湾区生活与工作。

原文标题：

Data science with Python: Turn your conditional loops to Numpy vectors

原文链接：

https://www.codementor.io/tirthajyotisarkar/data-science-with-python-turn-your-conditional-loops-to-numpy-vectors-he1yo9265