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嘘,Python 优化提速的 8 个小技巧
本文来自公众号:Python那些事   2021.05.03 09:03:01


(点击上方快速关注并设置为星标,一起学Python)

作者:张皓

链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/143052860

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__() __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 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()

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, b = 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 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 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 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):
        sqrt_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)

下面的网页给出了常用的 Python 数据结构的各项操作的时间复杂度:https://wiki.python.org/moin/TimeComplexity

参考资料

  • David Beazley & Brian K. Jones. Python Cookbook, Third edition. O'Reilly Media, ISBN: 9781449340377, 2013.
  • 张颖 & 赖勇浩. 编写高质量代码:改善Python程序的91个建议. 机械工业出版社, ISBN: 9787111467045, 2014.

(完)


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