Python数据科学 Author 东哥起飞
Python数据科学
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来自公众号：Python数据科学
本篇分享一个常用的加速骚操作。
for是所有编程语言的基础语法，初学者为了快速实现功能，依懒性较强。但如果从运算时间性能上考虑可能不是特别好的选择。pandas本质，才能知道如何提速。>>> import pandas as pd
# 导入数据集
>>> df = pd.read_csv('demand_profile.csv')
>>> df.head()
date_time energy_kwh
0 1/1/13 0:00 0.586
1 1/1/13 1:00 0.580
2 1/1/13 2:00 0.572
3 1/1/13 3:00 0.596
4 1/1/13 4:00 0.592
因此，如果你不知道如何提速，那正常第一想法可能就是用apply方法写一个函数，函数里面写好时间条件的逻辑代码。
def apply_tariff(kwh, hour):
"""计算每个小时的电费"""
if 0 <= hour < 7:
rate = 12
elif 7 <= hour < 17:
rate = 20
elif 17 <= hour < 24:
rate = 28
else:
raise ValueError(f'Invalid hour: {hour}')
return rate * kwh
for循环来遍历df，根据apply函数逻辑添加新的特征，如下：>>> # 不赞同这种操作
>>> @timeit(repeat=3, number=100)
... def apply_tariff_loop(df):
... """用for循环计算enery cost，并添加到列表"""
... energy_cost_list = []
... for i in range(len(df)):
... # 获取用电量和时间（小时）
... energy_used = df.iloc[i]['energy_kwh']
... hour = df.iloc[i]['date_time'].hour
... energy_cost = apply_tariff(energy_used, hour)
... energy_cost_list.append(energy_cost)
... df['cost_cents'] = energy_cost_list
...
>>> apply_tariff_loop(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_loop` ran in average of 3.152 seconds.
Pythonic风格的人来说，这个设计看起来很自然。然而，这个循环将会严重影响效率。原因有几个：(0，len(df))循环，然后再应用apply_tariff()之后，它必须将结果附加到用于创建新DataFrame列的列表中。另外，还使用df.iloc [i]['date_time']执行所谓的链式索引，这通常会导致意外的结果。一、使用 iterrows循环
pandas引入iterrows方法让效率更高。这些都是一次产生一行的生成器方法，类似scrapy中使用的yield用法。.itertuples为每一行产生一个namedtuple，并且行的索引值作为元组的第一个元素。nametuple是Python的collections模块中的一种数据结构，其行为类似于Python元组，但具有可通过属性查找访问的字段。.iterrows为DataFrame中的每一行产生（index，series）这样的元组。.iterrows，我们看看这使用iterrows后效果如何。>>> @timeit(repeat=3, number=100)
... def apply_tariff_iterrows(df):
... energy_cost_list = []
... for index, row in df.iterrows():
... # 获取用电量和时间（小时）
... energy_used = row['energy_kwh']
... hour = row['date_time'].hour
... # 添加cost列表
... energy_cost = apply_tariff(energy_used, hour)
... energy_cost_list.append(energy_cost)
... df['cost_cents'] = energy_cost_list
...
>>> apply_tariff_iterrows(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_iterrows` ran in average of 0.713 seconds.
pandas内置更快的方法完成。二、pandas的apply方法
.apply方法而不是.iterrows进一步改进此操作。pandas的.apply方法接受函数callables并沿DataFrame的轴(所有行或所有列)应用。下面代码中，lambda函数将两列数据传递给apply_tariff()：>>> @timeit(repeat=3, number=100)
... def apply_tariff_withapply(df):
... df['cost_cents'] = df.apply(
... lambda row: apply_tariff(
... kwh=row['energy_kwh'],
... hour=row['date_time'].hour),
... axis=1)
...
>>> apply_tariff_withapply(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_withapply` ran in average of 0.272 seconds.
apply的语法优点很明显，行数少，代码可读性高。在这种情况下，所花费的时间大约是iterrows方法的一半。apply()将在内部尝试循环遍历Cython迭代器。但是在这种情况下，传递的lambda不是可以在Cython中处理的东西，因此它在Python中调用并不是那么快。apply()方法获取10年的小时数据，那么将需要大约15分钟的处理时间。如果这个计算只是大规模计算的一小部分，那么真的应该提速了。这也就是矢量化操作派上用场的地方。三、矢量化操作：使用.isin选择数据
df ['energy_kwh'] * 28，类似这种。那么这个特定的操作就是矢量化操作的一个例子，它是在pandas中执行的最快方法。pandas中的矢量化运算？DataFrame，然后对每个选定的组应用矢量化操作。pandas的.isin()方法选择行，然后在矢量化操作中实现新特征的添加。在执行此操作之前，如果将date_time列设置为DataFrame的索引，会更方便：# 将date_time列设置为DataFrame的索引
df.set_index('date_time', inplace=True)
@timeit(repeat=3, number=100)
def apply_tariff_isin(df):
# 定义小时范围Boolean数组
peak_hours = df.index.hour.isin(range(17, 24))
shoulder_hours = df.index.hour.isin(range(7, 17))
off_peak_hours = df.index.hour.isin(range(0, 7))
# 使用上面apply_traffic函数中的定义
df.loc[peak_hours, 'cost_cents'] = df.loc[peak_hours, 'energy_kwh'] * 28
df.loc[shoulder_hours,'cost_cents'] = df.loc[shoulder_hours, 'energy_kwh'] * 20
df.loc[off_peak_hours,'cost_cents'] = df.loc[off_peak_hours, 'energy_kwh'] * 12
>>> apply_tariff_isin(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_isin` ran in average of 0.010 seconds.
.isin()方法返回的是一个布尔值数组，如下：[False, False, False, ..., True, True, True]
DataFrame索引datetimes是否落在了指定的小时范围内。然后把这些布尔数组传递给DataFrame的.loc，将获得一个与这些小时匹配的DataFrame切片。然后再将切片乘以适当的费率，这就是一种快速的矢量化操作了。apply_tariff()，代码大大减少，同时速度起飞。四、还能更快？
apply_tariff_isin中，我们通过调用df.loc和df.index.hour.isin三次来进行一些手动调整。如果我们有更精细的时间范围，你可能会说这个解决方案是不可扩展的。但在这种情况下，我们可以使用pandas的pd.cut()函数来自动完成切割：@timeit(repeat=3, number=100)
def apply_tariff_cut(df):
cents_per_kwh = pd.cut(x=df.index.hour,
bins=[0, 7, 17, 24],
include_lowest=True,
labels=[12, 20, 28]).astype(int)
df['cost_cents'] = cents_per_kwh * df['energy_kwh']
pd.cut()会根据bin列表应用分组。include_lowest参数表示第一个间隔是否应该是包含左边的。>>> apply_tariff_cut(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_cut` ran in average of 0.003 seconds.
NumPy，还可以更快！五、使用Numpy继续加速
pandas时不应忘记的一点是Pandas的Series和DataFrames是在NumPy库之上设计的。并且，pandas可以与NumPy阵列和操作无缝衔接。NumPy的 digitize()函数更进一步。它类似于上面pandas的cut()，因为数据将被分箱，但这次它将由一个索引数组表示，这些索引表示每小时所属的bin。然后将这些索引应用于价格数组：@timeit(repeat=3, number=100)
def apply_tariff_digitize(df):
prices = np.array([12, 20, 28])
bins = np.digitize(df.index.hour.values, bins=[7, 17, 24])
df['cost_cents'] = prices[bins] * df['energy_kwh'].values
cut函数一样，这种语法非常简洁易读。>>> apply_tariff_digitize(df)
Best of 3 trials with 100 function calls per trial:
Function `apply_tariff_digitize` ran in average of 0.002 seconds.
人工智能与大数据技术
