计算机与AI · 10月16日

numexpr:你以为 numpy 已经够快了,其实它还可以更快

开篇

python语言被广泛用于数据分析和机器学习。但是,由于python的底层特性,python的运行速率低一直被广泛诟病。其中,numpy和pandas的广泛使用已经将数据处理和机器学习的速率提升了几个档次。

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但是,随着数据的越来越多,很多人已经不再满足numpy和pandas的速度,从而退出了一批加速优化拓展包。这篇文章主要介绍一个轻量、但是功能强大的python扩展包 ”NumExpr",看看它是如何高效解析数学公式的。

NumExpr

NumExpr的使用及其简单,只需要将原来的numpy语句使用双引号框起来,并使用numexpr中的evaluate方法调用即可。

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第一步:需要引入 numexpr 和 numpy 扩展包;

`import numexpr as ne

import numpy as np`



第二步:创建两个numpy的array - a 和 b;

a和b两个所包含的数据个数为100万个。
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当我们需要执行简单的加减乘除的时候,numexpr的效率已经得到了很好地体现。如上图所示,通过执行 2 * a + 3 * b,如果直接操作,需要3.39 毫秒。但是,如果我们是用ne.evaluate加速,可以将时间缩短至1.55 毫秒。

numexpr在更加复杂的数学表达式运算中,表现到底如何呢?

当我们使用如上所示的数学表达式,正常执行需要28.3 ms。而通过numexpr的加速,只需要3.03 ms。



注意,numexpr是可以识别 sin 函数的,所以我们不需要在evaluate里面写np.sin,可以直接写 sin。
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总结:处理数据量越大,数学计算越复杂,则numexpr的加速效果越明显。
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numpy 和 numexpr 比较

我们可以看到,当np.array的元素个数超过10e8,加速效果更加显著。

numexpr也支持逻辑表达式和复数表达式的加速,有兴趣的读者朋友可以自行比较。


numexpr 多线程加速

numexpr还有一个重要的加速利器,多线程操作。通过 ne.set_num_threads(1) 可以设置线程的数量,更多的线程表示程序可以同时对数学表达式进行计算。
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如上所示,如果我们设置单线程,程序运行需要13.4 ms。设置了双线程,速度则可以提升一倍。

numexpr对pandas的加速
numexpr的设计主要针对的是numpy。同样的,我们知道pandas也是基于numpy开发的。自然,numexpr同样可以被用来对pandas加速。
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pandas中有一个eval方法就是运用了numexpr,对pandas代码进行优化加速。
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当我们构建几个pandas的dataframe,然后对它们进行运算的时候,pd.eval 可以将程序从原先的47.4 ms 加速到17.6 ms。

总结

通过以上的实例,numexpr对于numpy和pandas的加速是很显著的,尤其当数据量比较大和计算比较复杂的情况下。同时,numexpr的使用非常简单。但是,我们需要注意的是,任何加速工具都会有局限性的,并不是所有的工作都可以使用numexpr进行加速。


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