Python 优化提速

发布时间:2023年12月17日

0. 代码优化原则

  1. 不要过早优化。

    “让正确的程序更快要比让快速的程序正确容易得多”

  2. 权衡优化的代价

    通常面临的选择是时间换空间或空间换时间

  3. 不要优化那些无关紧要的部分

    过分优化会使代码难以阅读和理解;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

1. 避免全局变量

问题: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

解决方案:通过将变量、脚本语句放入到函数中,再调用函数

# 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)
# 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()

问题: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。

解决:

优化一: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

优化二: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。

   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

优化三:调用了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

 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

2.2 避免类内属性访问

问题: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。

for _ in range(size):
            append(sqrt(self._value))

解决方案: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。

value = self._value
        for _ in range(size):
            append(sqrt(value))  # 避免 self._value 的使用

3. 避免不必要的抽象

问题: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。

解决: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。

4. 避免数据复制

4.1 避免无意义的数据复制

value = range(size)
        value_list = [x for x in value]
        square_list = [x * x for x in value_list]

问题: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。

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

解决:直接这样写就好了

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

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。

4.3 字符串拼接用join而不是+

原因: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。

解决方案: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。

5. 利用if条件的短路特性

if 条件的短路特性是指

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;

而对于and语句,值为True可能性比较高的变量应该推后。

6. 循环优化

# 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_

6.1 用for循环代替while循环

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_

6.2 使用隐式for循环代替显式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

6.3 减少内层for循环的计算

for x in range(size):
        for y in range(size):
            z = sqrt(x) + sqrt(y)

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。

or 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)

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。关于numba的更多信息见下面的主页:http://numba.pydata.org/numba.pydata.org

使用介绍

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。

插入: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: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。

查找: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

文章来源:https://blog.csdn.net/2301_81159774/article/details/134964434
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