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  • 1 # 機器之心Pro

    我教你如何將記憶體佔用降低90%!

    用Pandas!

    當使用 pandas 操作小規模資料(低於 100 MB)時,效能一般不是問題。而當面對更大規模的資料(100 MB 到數 GB)時,效能問題會讓執行時間變得更漫長,而且會因為記憶體不足導致執行完全失敗。 儘管 Spark 這樣的工具可以處理大型資料集(100 GB 到數 TB),但要完全利用它們的能力,往往需要更加昂貴的硬體。而且和 pandas 不同,它們缺少豐富的用於高質量資料清理、探索和分析的功能集。對於中等規模的資料,我們最好能更充分地利用 pandas,而不是換成另一種工具。 在這篇文章中,我們將瞭解 pandas 的記憶體使用,以及如何只需透過為列選擇合適的資料型別就能將 dataframe 的記憶體佔用減少近 90%。

    處理棒球比賽日誌

    我們將處理 130 年之久的美國職業棒球大聯盟(MLB)比賽資料,這些資料來自 Retrosheet:http://www.retrosheet.org/gamelogs/index.html 這些資料原來分成了 127 個不同的 CSV 檔案,但我們已經使用 csvkit 合併了這些資料,並在第一行增加了列名稱。如果你想下載本文所用的這個資料版本,請訪問:https://data.world/dataquest/mlb-game-logs 讓我們首先匯入資料,並看看其中的前五行:

    下面我們總結了一些重要的列,但如果你想了解所有的列,我們也為整個資料集建立了一個數據詞典:https://data.world/dataquest/mlb-game-logs/workspace/data-dictionary

    date - 比賽時間

    v_name - 客隊名

    v_league - 客隊聯盟

    h_name - 主隊名

    h_league - 主隊聯盟

    v_score - 客隊得分

    h_score - 主隊得分

    v_line_score - 客隊每局得分排列,例如: 010000(10)00.

    h_line_score - 主隊每局得分排列,例如: 010000(10)0X.

    park_id - 比賽舉辦的球場名

    attendance- 比賽觀眾

    我們可以使用 DataFrame.info() 方法為我們提供關於 dataframe 的高層面資訊,包括它的大小、資料型別的資訊和記憶體使用情況。預設情況下,pandas 會近似 dataframe 的記憶體用量以節省時間。因為我們也關心準確度,所以我們將 memory_usage 引數設定為 "deep",以便得到準確的數字。

    我們可以看到,我們有 171,907 行和 161 列。pandas 會自動為我們檢測資料型別,發現其中有 83 列資料是數值,78 列是 object。object 是指有字串或包含混合資料型別的情況。 為了更好地理解如何減少記憶體用量,讓我們看看 pandas 是如何將資料儲存在記憶體中的。

    dataframe 的內部表示

    在 pandas 內部,同樣資料型別的列會組織成同一個值塊(blocks of values)。這裡給出了一個示例,說明了 pandas 對我們的 dataframe 的前 12 列的儲存方式。

    你可以看到這些塊並沒有保留原有的列名稱。這是因為這些塊為儲存 dataframe 中的實際值進行了最佳化。pandas 的 BlockManager 類則負責保留行列索引與實際塊之間的對映關係。它可以作為一個 API 使用,提供了對底層資料的訪問。不管我們何時選擇、編輯或刪除這些值,dataframe 類和 BlockManager 類的介面都會將我們的請求翻譯成函式和方法的呼叫。

    在pandas.core.internals 模組中,每一種型別都有一個專門的類。pandas 使用 ObjectBlock 類來表示包含字串列的塊,用 FloatBlock 類表示包含浮點數列的塊。對於表示整型數和浮點數這些數值的塊,pandas 會將這些列組合起來,儲存成 NumPy ndarray。NumPy ndarray 是圍繞 C 語言的陣列構建的,其中的值儲存在記憶體的連續塊中。這種儲存方案使得對值的訪問速度非常快。 因為每種資料型別都是分開儲存的,所以我們將檢查不同資料型別的記憶體使用情況。首先,我們先來看看各個資料型別的平均記憶體用量。

    可以看出,78 個 object 列所使用的記憶體量最大。我們後面再具體談這個問題。首先我們看看能否改進數值列的記憶體用量。

    理解子型別(subtype)

    正如我們前面簡單提到的那樣,pandas 內部將數值表示為 NumPy ndarrays,並將它們儲存在記憶體的連續塊中。這種儲存模式佔用的空間更少,而且也讓我們可以快速訪問這些值。因為 pandas 表示同一型別的每個值時都使用同樣的位元組數,而NumPy ndarray 可以儲存值的數量,所以 pandas 可以快速準確地返回一個數值列所消耗的位元組數。 pandas 中的許多型別都有多個子型別,這些子型別可以使用更少的位元組來表示每個值。比如說 float 型別就包含 float16、float32 和 float64 子型別。型別名稱中的數字就代表該型別表示值的位(bit)數。比如說,我們剛剛列出的子型別就分別使用了 2、4、8、16 個位元組。下面的表格給出了 pandas 中最常用型別的子型別:

    一個 int8 型別的值使用 1 個位元組的儲存空間,可以表示 256(2^8)個二進位制數。這意味著我們可以使用這個子型別來表示從 -128 到 127(包括 0)的所有整數值。 我們可以使用 numpy.iinfo 類來驗證每個整型數子型別的最大值和最小值。舉個例子:

    這裡我們可以看到 uint(無符號整型)和 int(有符號整型)之間的差異。這兩種型別都有一樣的儲存能力,但其中一個只儲存 0 和正數。無符號整型讓我們可以更有效地處理只有正數值的列。

    使用子型別最佳化數值列

    我們可以使用函式 pd.to_numeric() 來對我們的數值型別進行 downcast(向下轉型)操作。我們會使用DataFrame.select_dtypes來選擇整型列,然後我們會對其資料型別進行最佳化,並比較記憶體用量。

    我們可以看到記憶體用量從 7.9 MB 下降到了 1.5 MB,降低了 80% 以上。但這對我們原有 dataframe 的影響並不大,因為其中的整型列非常少。 讓我們對其中的浮點型列進行一樣的操作。

    我們可以看到浮點型列的資料型別從 float64 變成了 float32,讓記憶體用量降低了 50%。 讓我們為原始 dataframe 建立一個副本,並用這些最佳化後的列替換原來的列,然後看看我們現在的整體記憶體用量。

    儘管我們極大地減少了數值列的記憶體用量,但整體的記憶體用量僅減少了 7%。我們的大部分收穫都將來自對 object 型別的最佳化。 在我們開始行動之前,先看看 pandas 中字串的儲存方式與數值型別的儲存方式的比較。

    數值儲存與字串儲存的比較

    object 型別表示使用 Python 字串物件的值,部分原因是 NumPy 不支援缺失(missing)字串型別。因為 Python 是一種高階的解釋性語言,它對記憶體中儲存的值沒有細粒度的控制能力。 這一限制導致字串的儲存方式很碎片化,從而會消耗更多記憶體,而且訪問速度也更慢。object 列中的每個元素實際上都是一個指標,包含了實際值在記憶體中的位置的“地址”。 下面這幅圖給出了以 NumPy 資料型別儲存數值資料和使用 Python 內建型別儲存字串資料的方式。

    本圖來自這篇出色的文章:https://jakevdp.github.io/blog/2014/05/09/why-python-is-slow/ 在前面的表格中,你可能已經注意到 object 型別的記憶體使用是可變的。儘管每個指標僅佔用 1 位元組的記憶體,但如果每個字串在 Python 中都是單獨儲存的,那就會佔用實際字串那麼大的空間。我們可以使用 sys.getsizeof() 函式來證明這一點,首先檢視單個的字串,然後檢視 pandas series 中的項。

    你可以看到,當儲存在 pandas series 時,字串的大小與用 Python 單獨儲存的字串的大小是一樣的。

    使用 Categoricals 最佳化 object 型別

    pandas 在 0.15 版引入了 Categorials。category 型別在底層使用了整型值來表示一個列中的值,而不是使用原始值。pandas 使用一個單獨的對映詞典將這些整型值對映到原始值。只要當一個列包含有限的值的集合時,這種方法就很有用。當我們將一列轉換成 category dtype 時,pandas 就使用最節省空間的 int 子型別來表示該列中的所有不同值。

    為了瞭解為什麼我們可以使用這種型別來減少記憶體用量,讓我們看看我們的 object 型別中每種型別的不同值的數量。

    大概看看就能發現,對於我們整個資料集的 172,000 場比賽,其中不同(unique)值的數量可以說非常少。 為了瞭解當我們將其轉換成 categorical 型別時究竟發生了什麼,我們拿出一個 object 列來看看。我們將使用資料集的第二列 day_of_week. 看看上表,可以看到其僅包含 7 個不同的值。我們將使用 .astype() 方法將其轉換成 categorical 型別。

    如你所見,除了這一列的型別發生了改變之外,資料看起來還是完全一樣。讓我們看看這背後發生了什麼。 在下面的程式碼中,我們使用了 Series.cat.codes 屬性來返回 category 型別用來表示每個值的整型值。

    你可以看到每個不同值都被分配了一個整型值,而該列現在的基本資料型別是 int8。這一列沒有任何缺失值,但就算有,category 子型別也能處理,只需將其設定為 -1 即可。 最後,讓我們看看在將這一列轉換為 category 型別前後的記憶體用量對比。

    9.84 MB0.16 MB

    9.8 MB 的記憶體用量減少到了 0.16 MB,減少了 98%!注意,這個特定列可能代表了我們最好的情況之一——即大約 172,000 項卻只有 7 個不同的值。 儘管將所有列都轉換成這種型別聽起來很吸引人,但瞭解其中的取捨也很重要。最大的壞處是無法執行數值計算。如果沒有首先將其轉換成數值 dtype,那麼我們就無法對 category 列進行算術運算,也就是說無法使用 Series.min() 和 Series.max() 等方法。 我們應該堅持主要將 category 型別用於不同值的數量少於值的總數量的 50% 的 object 列。如果一列中的所有值都是不同的,那麼 category 型別所使用的記憶體將會更多。因為這一列不僅要儲存所有的原始字串值,還要額外儲存它們的整型值程式碼。你可以在 pandas 文件中瞭解 category 型別的侷限性:http://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/categorical.html 我們將編寫一個迴圈函式來迭代式地檢查每一 object 列中不同值的數量是否少於 50%;如果是,就將其轉換成 category 型別。

    和之前一樣進行比較:

    在這個案例中,所有的 object 列都被轉換成了 category 型別,但並非所有資料集都是如此,所以你應該使用上面的流程進行檢查。 object 列的記憶體用量從 752MB減少到了 52MB,減少了 93%。讓我們將其與我們 dataframe 的其它部分結合起來,看看從最初 861MB 的基礎上實現了多少進步。

    optimized_gl[converted_obj.columns] = converted_objmem_usage(optimized_gl)"103.64 MB"

    你可能記得這一列開始是一個整型,現在已經最佳化成了 unint32 型別。因此,將其轉換成 datetime 型別實際上會讓記憶體用量翻倍,因為 datetime 型別是 64 位的。將其轉換成 datetime 型別是有價值的,因為這讓我們可以更好地進行時間序列分析。

    pandas.to_datetime() 函式可以幫我們完成這種轉換,使用其 format 引數將我們的日期資料儲存成 YYYY-MM-DD 形式。

    104.29 MB

    在讀入資料的同時選擇型別 現在,我們已經探索了減少現有 dataframe 的記憶體佔用的方法。透過首先讀入 dataframe ,然後在這個過程中迭代以減少記憶體佔用,我們瞭解了每種最佳化方法可以帶來的記憶體減省量。但是正如我們前面提到的一樣,我們往往沒有足夠的記憶體來表示資料集中的所有值。如果我們一開始甚至無法建立 dataframe ,我們又可以怎樣應用節省記憶體的技術呢? 幸運的是,我們可以在讀入資料的同時指定最優的列型別。pandas.read_csv() 函式有幾個不同的引數讓我們可以做到這一點。dtype 引數接受具有(字串)列名稱作為鍵值(key)以及 NumPy 型別 object 作為值的詞典。 首先,我們可將每一列的最終型別儲存在一個詞典中,其中鍵值表示列名稱,首先移除日期列,因為日期列需要不同的處理方式。

    現在我們可以使用這個詞典了,另外還有幾個引數可用於按正確的型別讀入日期,而且僅需幾行程式碼:

    104.28 MB

    透過最佳化這些列,我們成功將 pandas 的記憶體佔用從 861.6MB 減少到了 104.28MB——減少了驚人的 88%!

    分析棒球比賽

    現在我們已經最佳化好了我們的資料,我們可以執行一些分析了。讓我們先從瞭解這些比賽的日期分佈開始。

    我們可以看到在 1920 年代以前,星期日的棒球比賽很少,但在上個世紀後半葉就變得越來越多了。 我們也可以清楚地看到過去 50 年來,比賽的日期分佈基本上沒什麼大變化了。讓我們再看看比賽時長的變化情況:

    從 1940 年代以來,棒球比賽的持續時間越來越長。

    總結和下一步 我們已經瞭解了 pandas 使用不同資料型別的方法,然後我們使用這種知識將一個 pandas dataframe 的記憶體用量減少了近 90%,而且也僅使用了一些簡單的技術: 將數值列向下轉換成更高效的型別將字串列轉換成 categorical 型別 如果你還想使用 pandas 處理更大規模的資料,可以參與這個互動式課程:https://www.dataquest.io/m/163/optimizing-dataframe-memory-footprint/16/next-steps

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