分享Python 加速运行技巧

2022-12-14 09:56 开发作者： Python研究者

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：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：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ZpfycZXBe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) www.cppcns.com-> 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:
  s编程客栈um_ = 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ZpfycZXBefor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编程客栈):
    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。

# 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)。

到此这篇关于分享Python 加速运行技巧的文章就介绍到这了,更多相关Python 加速运行技巧内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

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1.避免全局变量

2.避免

2.1 避免模块和函数属性访问

2.2 避免类内属性访问

3.避免不必要的抽象

4.避免数据复制

4.1 避免无意义的数据复制

4.2 交换值时不使用中间变量

4.3 字符串拼接用join而不是+

5.利用 if 条件的短路特性

6.循环优化

6.1 用for循环代替while循环

6.2 使用隐式for循环代替显式for循环

6.3 减少内层for循环的计算

7.使用 numba.jit

8.选择合适的数据结构

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