[Python技巧]如何加快循环操作和Numpy数组运算速度

鑫鑫淼淼焱焱

华南理工大学电子与通信工程硕士

前言

Python 虽然写起来代码量要远少于如 C++,Java，但运行速度又不如它们，因此也有了各种提升 Python 速度的方法技巧，这次要介绍的是用 Numba 库进行加速比较耗时的循环操作以及 Numpy 操作。

在 24式加速你的Python 中介绍对循环的加速方法中，一个办法就是采用 Numba 加速，刚好最近看到一篇文章介绍了利用 Numba 加速 Python ，文章主要介绍了两个例子，也是 Numba 的两大作用，分别是加速循环，以及对 Numpy 的计算加速。

原文： https:// towardsdatascience.com/ heres-how-you-can-get-some-free-speed-on-your-python-code-with-numba-89fdc8249ef3

相比其他语言，Python 确实在运行速度上是比较慢的。

一种常用解决方法，就是用如 C++ 改写代码，然后用 Python 进行封装，这样既可以实现 C++ 的运行速度又可以保持在主要应用中采用 Python 的方便。

这种办法的唯一难点就是改写为 C++ 部分的代码需要耗费不少时间，特别是如果你对 C++ 并不熟悉的情况。

Numba 可以实现提升速度但又不需要改写部分代码为其他编程语言。

Numba 简介

Numba 是一个可以将 Python 代码转换为优化过的机器代码的编译库。通过这种转换，对于数值算法的运行速度可以提升到接近 C 语言代码的速度。

采用 Numba 并不需要添加非常复杂的代码，只需要在想优化的函数前添加一行代码，剩余的交给 Numba 即可。

Numba 可以通过 pip 安装：

$ pip install numba

Numba 对于有许多数值运算的， Numpy 操作或者大量循环操作的情况，都可以大大提升运行速度。

加速 Python 循环

Numba 的最基础应用就是加速 Python 中的循环操作。

首先，如果你想使用循环操作，你先考虑是否可以采用 Numpy 中的函数替代，有些情况，可能没有可以替代的函数。这时候就可以考虑采用 Numba 了。

第一个例子是通过插入排序算法来进行说明。我们会实现一个函数，输入一个无序的列表，然后返回排序好的列表。

我们先生成一个包含 100,000 个随机整数的列表，然后执行 50 次插入排序算法，然后计算平均速度。

代码如下所示：

import time
import random
num_loops = 50
len_of_list = 100000
def insertion_sort(arr):
    for i in range(len(arr)):
        cursor = arr[i]
        pos = i
        while pos > 0 and arr[pos-1] > cursor:
            # 从后往前对比，从小到大排序
            arr[pos] = arr[pos-1]
            pos = pos-1
        # 找到当前元素的位置
        arr[pos] = cursor
    return arr
start = time.time()
list_of_numbers = list()
for i in range(len_of_list):
    num = random.randint(0, len_of_list)
    list_of_numbers.append(num)
for i in range(num_loops):
    result = insertion_sort(list_of_numbers)
end = time.time()
run_time = end-start
print('Average time={}'.format(run_time/num_loops))

输出结果：

Average time=22.84399790763855

从代码可以知道插入排序算法的时间复杂度是 O(n^2) ，因为这里包含了两个循环， for 循环里面带有 while 循环，这是最差的情况。然后输入数量是 10 万个整数，再加上重复 50 次，这是非常耗时的操作了。

原作者采用的是电脑配置是 i7-8700k，所以其平均耗时是 3.0104s 。但这里我的电脑配置就差多了，i5-4210M 的笔记本电脑，并且已经使用了接近 4 年，所以我跑的结果是，平均耗时为 22.84s 。

那么，如何采用 Numba 加速循环操作呢，代码如下所示：

import time
import random
from numba import jit
num_loops = 50
len_of_list = 100000
@jit(nopython=True)
def insertion_sort(arr):
    for i in range(len(arr)):
        cursor = arr[i]
        pos = i
        while pos > 0 and arr[pos-1] > cursor:
            # 从后往前对比，从小到大排序
            arr[pos] = arr[pos-1]
            pos = pos-1
        # 找到当前元素的位置
        arr[pos] = cursor
    return arr
start = time.time()
list_of_numbers = list()
for i in range(len_of_list):
    num = random.randint(0, len_of_list)
    list_of_numbers.append(num)
for i in range(num_loops):
    result = insertion_sort(list_of_numbers)
end = time.time()
run_time = end-start
print('Average time={}'.format(run_time/num_loops))

输出结果：

Average time=0.09438572406768798

可以看到，其实只增加了两行代码，第一行就是导入 jit 装饰器

from numba import jit

接着在函数前面增加一行代码，采用装饰器

@jit(nopython=True)
def insertion_sort(arr):

使用 jit 装饰器表明我们希望将该函数转换为机器代码，然后参数 nopython 指定我们希望 Numba 采用纯机器代码，或者有必要的情况加入部分 Python 代码，这个参数必须设置为 True 来得到更好的性能，除非出现错误。

原作者得到的平均耗时是 0,1424s ，而我的电脑上则是提升到仅需 0.094s ，速度都得到非常大的提升。

加速 Numpy 操作

Numba 的另一个常用地方，就是加速 Numpy 的运算。

这次将初始化 3 个非常大的 Numpy 数组，相当于一个图片的尺寸大小，然后采用 numpy.square() 函数对它们的和求平方。

代码如下所示：

import time
import numpy as np
num_loops = 50
img1 = np.ones((1000, 1000), np.int64) * 5
img2 = np.ones((1000, 1000), np.int64) * 10
img3 = np.ones((1000, 1000), np.int64) * 15
def add_arrays(img1, img2, img3):
    return np.square(img1+img2+img3)
start1 = time.time()
for i in range(num_loops):
    result = add_arrays(img1, img2, img3)
end1 = time.time()
run_time1 = end1 - start1
print('Average time for normal numpy operation={}'.format(run_time1/num_loops))

输出结果：

Average time for normal numpy operation=0.040156774520874024

当我们对 Numpy 数组进行基本的数组计算，比如加法、乘法和平方， Numpy 都会自动在内部向量化，这也是它可以比原生 Python 代码有更好性能的原因。

上述代码在原作者的电脑运行的速度是 0.002288s ，而我的电脑需要 0.04s 左右。

但即便是 Numpy 代码也不会和优化过的机器代码速度一样快，因此这里依然可以采用 Numba 进行加速，代码如下所示：

# numba 加速
from numba import vectorize, int64
@vectorize([int64(int64,int64,int64)], target='parallel')
def add_arrays_numba(img1, img2, img3):
    return np.square(img1+img2+img3)
start2 = time.time()
for i in range(num_loops):