8個 可以讓 Python 加速的 tips

0. 代碼優(yōu)化原則

本文會介紹不少的 Python 代碼加速運行的技巧。在深入代碼優(yōu)化細節(jié)之前，需要了解一些代碼優(yōu)化基本原則。

第一個基本原則是不要過早優(yōu)化。很多人一開始寫代碼就奔著性能優(yōu)化的目標(biāo)，“讓正確的程序更快要比讓快速的程序正確容易得多”。因此，優(yōu)化的前提是代碼能正常工作。過早地進行優(yōu)化可能會忽視對總體性能指標(biāo)的把握，在得到全局結(jié)果前不要主次顛倒。

第二個基本原則是權(quán)衡優(yōu)化的代價。優(yōu)化是有代價的，想解決所有性能的問題是幾乎不可能的。通常面臨的選擇是時間換空間或空間換時間。另外，開發(fā)代價也需要考慮。

第三個原則是不要優(yōu)化那些無關(guān)緊要的部分。如果對代碼的每一部分都去優(yōu)化，這些修改會使代碼難以閱讀和理解。如果你的代碼運行速度很慢，首先要找到代碼運行慢的位置，通常是內(nèi)部循環(huán)，專注于運行慢的地方進行優(yōu)化。在其他地方，一點時間上的損失沒有什么影響。

1. 避免全局變量

#?不推薦寫法。代碼耗時：26.8秒
import?math

size?=?10000
for?x?in?range(size):
????for?y?in?range(size):
????????z?=?math.sqrt(x)?+?math.sqrt(y)

許多程序員剛開始會用 Python 語言寫一些簡單的腳本，當(dāng)編寫腳本時，通常習(xí)慣了直接將其寫為全局變量，例如上面的代碼。但是，由于全局變量和局部變量實現(xiàn)方式不同，定義在全局范圍內(nèi)的代碼運行速度會比定義在函數(shù)中的慢不少。通過將腳本語句放入到函數(shù)中，通常可帶來 15% - 30% 的速度提升。

#?推薦寫法。代碼耗時：20.6秒
import?math

def?main():??#?定義到函數(shù)中，以減少全部變量使用
????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 避免模塊和函數(shù)屬性訪問

#?不推薦寫法。代碼耗時：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.（屬性訪問操作符時）會觸發(fā)特定的方法，如__getattribute__()和__getattr__()，這些方法會進行字典操作，因此會帶來額外的時間開銷。通過from import語句，可以消除屬性訪問。

#?第一次優(yōu)化寫法。代碼耗時：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 節(jié)中我們講到，局部變量的查找會比全局變量更快，因此對于頻繁訪問的變量sqrt，通過將其改為局部變量可以加速運行。

#?第二次優(yōu)化寫法。代碼耗時：9.9秒
import?math

def?computeSqrt(size:?int):
????result?=?[]
????sqrt?=?math.sqrt??#?賦值給局部變量
????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函數(shù)中還有.的存在，那就是調(diào)用list的append方法。通過將該方法賦值給一個局部變量，可以徹底消除computeSqrt函數(shù)中for循環(huán)內(nèi)部的.使用。

#?推薦寫法。代碼耗時：7.9秒
import?math

def?computeSqrt(size:?int):
????result?=?[]
????append?=?result.append
????sqrt?=?math.sqrt????#?賦值給局部變量
????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 避免類內(nèi)屬性訪問

#?不推薦寫法。代碼耗時：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.的原則也適用于類內(nèi)屬性，訪問self._value的速度會比訪問一個局部變量更慢一些。通過將需要頻繁訪問的類內(nèi)屬性賦值給一個局部變量，可以提升代碼運行速度。

#?推薦寫法。代碼耗時：8.0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
????????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

#?不推薦寫法，代碼耗時：0.55秒
class?DemoClass:
????def?__init__(self,?value:?int):
????????self.value?=?value

????@property
????def?value(self)?->?int:
????????return?self._value

[email protected]
????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()

任何時候當(dāng)你使用額外的處理層（比如裝飾器、屬性訪問、描述器）去包裝代碼時，都會讓代碼變慢。大部分情況下，需要重新進行審視使用屬性訪問器的定義是否有必要，使用getter/setter函數(shù)對屬性進行訪問通常是 C/C++ 程序員遺留下來的代碼風(fēng)格。如果真的沒有必要，就使用簡單屬性。

#?推薦寫法，代碼耗時：0.33秒
class?DemoClass:
????def?__init__(self,?value:?int):
????????self.value?=?value??#?避免不必要的屬性訪問器

def?main():
????size?=?1000000
????for?i?in?range(size):
????????demo_instance?=?DemoClass(size)
????????value?=?demo_instance.value
????????demo_instance.value?=?i

main()

4. 避免數(shù)據(jù)復(fù)制

4.1 避免無意義的數(shù)據(jù)復(fù)制

#?不推薦寫法，代碼耗時：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()

上面的代碼中value_list完全沒有必要，這會創(chuàng)建不必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或復(fù)制。

#?推薦寫法，代碼耗時：4.8秒
def?main():
????size?=?10000
????for?_?in?range(size):
????????value?=?range(size)
????????square_list?=?[x?*?x?for?x?in?value]??#?避免無意義的復(fù)制

main()

另外一種情況是對 Python 的數(shù)據(jù)共享機制過于偏執(zhí)，并沒有很好地理解或信任 Python 的內(nèi)存模型，濫用 copy.deepcopy()之類的函數(shù)。通常在這些代碼中是可以去掉復(fù)制操作的。

4.2 交換值時不使用中間變量

不推薦寫法，代碼耗時：0.07秒

#?不推薦寫法，代碼耗時：0.07秒
def?main():
????size?=?1000000
????for?_?in?range(size):
????????a?=?3
????????b?=?5
????????temp?=?a
????????a?=?b
????????b?=?temp

main()

上面的代碼在交換值時創(chuàng)建了一個臨時變量temp，如果不借助中間變量，代碼更為簡潔、且運行速度更快。

#?推薦寫法，代碼耗時：0.06秒
def?main():
????size?=?1000000
????for?_?in?range(size):
????????a?=?3
????????b?=?5
????????a,?b?=?b,?a??#?不借助中間變量

main()

4.3 字符串拼接用join而不是+

#?不推薦寫法，代碼耗時：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()

當(dāng)使用a + b拼接字符串時，由于 Python 中字符串是不可變對象，其會申請一塊內(nèi)存空間，將a和b分別復(fù)制到該新申請的內(nèi)存空間中。因此，如果要拼接 n 個字符串，會產(chǎn)生 n-1 個中間結(jié)果，每產(chǎn)生一個中間結(jié)果都需要申請和復(fù)制一次內(nèi)存，嚴重影響運行效率。而使用join()拼接字符串時，會首先計算出需要申請的總的內(nèi)存空間，然后一次性地申請所需內(nèi)存，并將每個字符串元素復(fù)制到該內(nèi)存中去。

#?推薦寫法，代碼耗時：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條件的短路特性

#?不推薦寫法，代碼耗時：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 條件的短路特性是指對if a and b這樣的語句， 當(dāng)a為False時將直接返回，不再計算b；對于if a or b這樣的語句，當(dāng)a為True時將直接返回，不再計算b。因此， 為了節(jié)約運行時間，對于or語句，應(yīng)該將值為True可能性比較高的變量寫在or前，而and應(yīng)該推后。

#?推薦寫法，代碼耗時：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?條件的短路特性
????????????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. 循環(huán)優(yōu)化

6.1 用for循環(huán)代替while循環(huán)

#?不推薦寫法。代碼耗時：6.7秒
def?computeSum(size:?int)?->?int:
????sum_?=?0
????i?=?0
????while?i?????????sum_?+=?i
????????i?+=?1
????return?sum_

def?main():
????size?=?10000
????for?_?in?range(size):
????????sum_?=?computeSum(size)

main()

Python 的for循環(huán)比while循環(huán)快不少。

#?推薦寫法。代碼耗時：4.3秒
def?computeSum(size:?int)?->?int:
????sum_?=?0
????for?i?in?range(size):??#?for?循環(huán)代替?while?循環(huán)
????????sum_?+=?i
????return?sum_

def?main():
????size?=?10000
????for?_?in?range(size):
????????sum_?=?computeSum(size)

main()

6.2 使用隱式for循環(huán)代替顯式for循環(huán)

針對上面的例子，更進一步可以用隱式for循環(huán)來替代顯式for循環(huán)

#?推薦寫法。代碼耗時：1.7秒
def?computeSum(size:?int)?->?int:
????return?sum(range(size))??#?隱式?for?循環(huán)代替顯式?for?循環(huán)

def?main():
????size?=?10000
????for?_?in?range(size):
????????sum?=?computeSum(size)

main()

6.3 減少內(nèi)層for循環(huán)的計算

#?不推薦寫法。代碼耗時：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()?

上面的代碼中sqrt(x)位于內(nèi)側(cè)for循環(huán)， 每次訓(xùn)練過程中都會重新計算一次，增加了時間開銷。

#?推薦寫法。代碼耗時：7.0秒
import?math

def?main():
????size?=?10000
????sqrt?=?math.sqrt
????for?x?in?range(size):
????????sqrt_x?=?sqrt(x)??#?減少內(nèi)層?for?循環(huán)的計算
????????for?y?in?range(size):
????????????z?=?sqrt_x?+?sqrt(y)

main()?

7. 使用numba.jit

我們沿用上面介紹過的例子，在此基礎(chǔ)上使用numba.jit。numba可以將 Python 函數(shù) JIT 編譯為機器碼執(zhí)行，大大提高代碼運行速度。關(guān)于numba的更多信息見下面的主頁：

http://numba.pydata.org/numba.pydata.org/

#?推薦寫法。代碼耗時：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. 選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Python 內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如str, tuple, list, set, dict底層都是 C 實現(xiàn)的，速度非?？欤约簩崿F(xiàn)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)想在性能上達到內(nèi)置的速度幾乎是不可能的。

list類似于 C++ 中的std::vector，是一種動態(tài)數(shù)組。其會預(yù)分配一定內(nèi)存空間，當(dāng)預(yù)分配的內(nèi)存空間用完，又繼續(xù)向其中添加元素時，會申請一塊更大的內(nèi)存空間，然后將原有的所有元素都復(fù)制過去，之后銷毀之前的內(nèi)存空間，再插入新元素。刪除元素時操作類似，當(dāng)已使用內(nèi)存空間比預(yù)分配內(nèi)存空間的一半還少時，會另外申請一塊小內(nèi)存，做一次元素復(fù)制，之后銷毀原有大內(nèi)存空間。因此，如果有頻繁的新增、刪除操作，新增、刪除的元素數(shù)量又很多時，list的效率不高。此時，應(yīng)該考慮使用collections.deque。collections.deque是雙端隊列，同時具備棧和隊列的特性，能夠在兩端進行 ?O(1) 復(fù)雜度的插入和刪除操作。

list的查找操作也非常耗時。當(dāng)需要在list頻繁查找某些元素，或頻繁有序訪問這些元素時，可以使用bisect維護list對象有序并在其中進行二分查找，提升查找的效率。

另外一個常見需求是查找極小值或極大值，此時可以使用heapq模塊將list轉(zhuǎn)化為一個堆，使得獲取最小值的時間復(fù)雜度是 O(1) 。

下面的網(wǎng)頁給出了常用的 Python 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各項操作的時間復(fù)雜度：

TimeComplexity - Python Wikiwiki.python.org/moin/TimeComplexity

參考資料

• David Beazley & Brian K. Jones. Python Cookbook, Third edition. O'Reilly Media, ISBN: 9781449340377, 2013.
• 張穎 & 賴勇浩. 編寫高質(zhì)量代碼：改善Python程序的91個建議. 機械工業(yè)出版社, ISBN: 9787111467045, 2014.