Python 优化提速的 8 个小技巧

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2021-06-0416:53:11 评论 178 9062字
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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 mathsize = 10000for 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 mathdef 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 mathdef computeSqrt(size: int):    result = []    for i in range(size):        result.append(math.sqrt(i))    return resultdef 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 sqrtdef computeSqrt(size: int):    result = []    for i in range(size):        result.append(sqrt(i))  # 避免math.sqrt的使用    return resultdef 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 mathdef 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 resultdef 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listappend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 mathdef 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 resultdef 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 mathfrom typing import Listclass 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 resultdef 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 mathfrom typing import Listclass 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 resultdef 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 = xdef main():    size = 1000000    for i in range(size):        demo_instance = DemoClass(size)        value = demo_instance.value        demo_instance.value = imain()

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 = imain()

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 = tempmain()

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 stringfrom typing import Listdef concatString(string_list: List[str]) -> str:    result = ""    for str_i in string_list:        result += str_i    return resultdef 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ab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 stringfrom typing import Listdef 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 Listdef 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 resultdef 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aFalse时将直接返回,不再计算b;对于if a or b这样的语句,当aTrue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 Listdef 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 resultdef 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 mathdef 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 mathdef 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.jitnumba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.jitdef computeSum(size: float) -> int:    sum = 0    for i in range(size):        sum += i    return sumdef 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strtuplelistsetdict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.dequecollections.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)

 

End.

作者:张皓

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