如何提速优化python代码?

发布时间:2022-03-11 10:03:07 人气:81 作者:多测师

  Python 是一种脚本语言,相比 C/C++ 这样的编译语言,在效率和性能方面存在一些不足。但是,有很多时候,Python 的效率并没有想象中的那么夸张。本文对一些 Python 代码加速运行的技巧进行整理。

  0. 代码优化原则

  本文会介绍不少的 Python 代码加速运行的技巧。在深入代码优化细节之前,需要了解一些代码优化基本原则。

  第一个基本原则是不要过早优化。很多人一开始写代码就奔着性能优化的目标,“让正确的程序更快要比让快速的程序正确容易得多”。因此,优化的前提是代码能正常工作。过早地进行优化可能会忽视对总体性能指标的把握,在得到全局结果前不要主次颠倒。

  第二个基本原则是权衡优化的代价。优化是有代价的,想解决所有性能的问题是几乎不可能的。通常面临的选择是时间换空间或空间换时间。另外,开发代价也需要考虑。

  第三个原则是不要优化那些无关紧要的部分。如果对代码的每一部分都去优化,这些修改会使代码难以阅读和理解。如果你的代码运行速度很慢,首先要找到代码运行慢的位置,通常是内部循环,专注于运行慢的地方进行优化。在其他地方,一点时间上的损失没有什么影响。

  1. 避免全局变量

  # 不推荐写法。代码耗时:26.8秒

  import math

  size = 10000

  for x in range(size):

  for y in range(size):

  z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)

  许多程序员刚开始会用 Python 语言写一些简单的脚本,当编写脚本时,通常习惯了直接将其写为全局变量,例如上面的代码。但是,由于全局变量和局部变量实现方式不同,定义在全局范围内的代码运行速度会比定义在函数中的慢不少。通过将脚本语句放入到函数中,通常可带来 15% - 30% 的速度提升。

  # 推荐写法。代码耗时:20.6秒

  import math

  def main(): # 定义到函数中,以减少全部变量使用

  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 避免模块和函数属性访问

  # 不推荐写法。代码耗时: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.(属性访问操作符时)会触发特定的方法,如__getattribute__()和__getattr__(),这些方法会进行字典操作,因此会带来额外的时间开销。通过from import语句,可以消除属性访问。

  # 第一次优化写法。代码耗时: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 节中我们讲到,局部变量的查找会比全局变量更快,因此对于频繁访问的变量sqrt,通过将其改为局部变量可以加速运行。

  # 第二次优化写法。代码耗时:9.9秒

  import math

  def computeSqrt(size: int):

  result = []

  sqrt = math.sqrt # 赋值给局部变量

  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函数中还有.的存在,那就是调用list的append方法。通过将该方法赋值给一个局部变量,可以彻底消除computeSqrt函数中for循环内部的.使用。

  # 推荐写法。代码耗时:7.9秒

  import math

  def computeSqrt(size: int):

  result = []

  append = result.append

  sqrt = math.sqrt # 赋值给局部变量

  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 避免类内属性访问

  # 不推荐写法。代码耗时: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.的原则也适用于类内属性,访问self._value的速度会比访问一个局部变量更慢一些。通过将需要频繁访问的类内属性赋值给一个局部变量,可以提升代码运行速度。

  # 推荐写法。代码耗时: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

  # 不推荐写法,代码耗时: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()

  任何时候当你使用额外的处理层(比如装饰器、属性访问、描述器)去包装代码时,都会让代码变慢。大部分情况下,需要重新进行审视使用属性访问器的定义是否有必要,使用getter/setter函数对属性进行访问通常是 C/C++ 程序员遗留下来的代码风格。如果真的没有必要,就使用简单属性。

  # 推荐写法,代码耗时:0.33秒

  class DemoClass:

  def __init__(self, value: int):

  self.value = value # 避免不必要的属性访问器

  def main():

  size = 1000000

  for i in range(size):

  demo_instance = DemoClass(size)

  value = demo_instance.value

  demo_instance.value = i

  main()

如何提速优化python代码?

  4. 避免数据复制

  4.1 避免无意义的数据复制

  # 不推荐写法,代码耗时: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()

  上面的代码中value_list完全没有必要,这会创建不必要的数据结构或复制。

  # 推荐写法,代码耗时:4.8秒

  def main():

  size = 10000

  for _ in range(size):

  value = range(size)

  square_list = [x * x for x in value] # 避免无意义的复制

  main()

  另外一种情况是对 Python 的数据共享机制过于偏执,并没有很好地理解或信任 Python 的内存模型,滥用 copy.deepcopy()之类的函数。通常在这些代码中是可以去掉复制操作的。

  4.2 交换值时不使用中间变量

  # 不推荐写法,代码耗时:0.07秒

  def main():

  size = 1000000

  for _ in range(size):

  a = 3

  b = 5

  temp = a

  a = b

  b = temp

  main()

  上面的代码在交换值时创建了一个临时变量temp,如果不借助中间变量,代码更为简洁、且运行速度更快。

  # 推荐写法,代码耗时:0.06秒

  def main():

  size = 1000000

  for _ in range(size):

  a = 3

  b = 5

  a, bb = b, a # 不借助中间变量

  main()

  4.3 字符串拼接用join而不是+

  # 不推荐写法,代码耗时: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()

  当使用a + b拼接字符串时,由于 Python 中字符串是不可变对象,其会申请一块内存空间,将a和b分别复制到该新申请的内存空间中。因此,如果要拼接 n 个字符串,会产生 n-1 个中间结果,每产生一个中间结果都需要申请和复制一次内存,严重影响运行效率。而使用join()拼接字符串时,会首先计算出需要申请的总的内存空间,然后一次性地申请所需内存,并将每个字符串元素复制到该内存中去。

  # 推荐写法,代码耗时: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条件的短路特性

  # 不推荐写法,代码耗时: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 条件的短路特性是指对if a and b这样的语句, 当a为False时将直接返回,不再计算b;对于if a or b这样的语句,当a为True时将直接返回,不再计算b。因此, 为了节约运行时间,对于or语句,应该将值为True可能性比较高的变量写在or前,而and应该推后。

  # 推荐写法,代码耗时: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 条件的短路特性

  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. 循环优化

  6.1 用for循环代替while循环

  # 不推荐写法。代码耗时: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循环比while循环快不少。

  # 推荐写法。代码耗时:4.3秒

  def computeSum(size: int) -> int:

  sum_ = 0

  for i in range(size): # for 循环代替 while 循环

  sum_ += i

  return sum_

  def main():

  size = 10000

  for _ in range(size):

  sum_ = computeSum(size)

  main()

  6.2 使用隐式for循环代替显式for循环

  针对上面的例子,更进一步可以用隐式for循环来替代显式for循环。

  # 推荐写法。代码耗时:1.7秒

  def computeSum(size: int) -> int:

  return sum(range(size)) # 隐式 for 循环代替显式 for 循环

  def main():

  size = 10000

  for _ in range(size):

  sum = computeSum(size)

  main()

  6.3 减少内层for循环的计算

  # 不推荐写法。代码耗时: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()

  上面的代码中sqrt(x)位于内侧for循环, 每次训练过程中都会重新计算一次,增加了时间开销。

  # 推荐写法。代码耗时:7.0秒

  import math

  def main():

  size = 10000

  sqrt = math.sqrt

  for x in range(size):

  sqrtsqrt_x = sqrt(x) # 减少内层 for 循环的计算

  for y in range(size):

  z = sqrt_x + sqrt(y)

  main()

  7. 使用numba.jit

  我们沿用上面介绍过的例子,在此基础上使用numba.jit。numba可以将 Python 函数 JIT 编译为机器码执行,大大提高代码运行速度。关于numba的更多信息见下面的主页:http://numba.pydata.org/numba.pydata.org

  # 推荐写法。代码耗时: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. 选择合适的数据结构

  Python 内置的数据结构如str, tuple, list, set, dict底层都是 C 实现的,速度非常快,自己实现新的数据结构想在性能上达到内置的速度几乎是不可能的。

  list类似于 C++ 中的std::vector,是一种动态数组。其会预分配一定内存空间,当预分配的内存空间用完,又继续向其中添加元素时,会申请一块更大的内存空间,然后将原有的所有元素都复制过去,之后销毁之前的内存空间,再插入新元素。

  删除元素时操作类似,当已使用内存空间比预分配内存空间的一半还少时,会另外申请一块小内存,做一次元素复制,之后销毁原有大内存空间。

  因此,如果有频繁的新增、删除操作,新增、删除的元素数量又很多时,list的效率不高。此时,应该考虑使用collections.deque。collections.deque是双端队列,同时具备栈和队列的特性,能够在两端进行 O(1) 复杂度的插入和删除操作。

  list的查找操作也非常耗时。当需要在list频繁查找某些元素,或频繁有序访问这些元素时,可以使用bisect维护list对象有序并在其中进行二分查找,提升查找的效率。

  另外一个常见需求是查找极小值或极大值,此时可以使用heapq模块将list转化为一个堆,使得获取最小值的时间复杂度是 O(1)。

  以上内容为大家介绍了如何提速优化python代码?,希望对大家有所帮助,如果想要了解更多Python相关知识,请关注多测师。https://www.e70w.com/xwzx/

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