如何提高 Python 程式碼效率

太傻子發表於2014-07-03
Python

如何提高 Python 程式碼效率

本王用 Python 快兩年了，平時只是用它來寫點小小的分析指令碼，以方便快捷為主，也沒怎麼考慮程式碼效率問題。最近想給自己升升級，提高一下程式碼的檔次。於是找了一堆效率相關的文章，做了些實驗，總結一下。

第一招：蛇打七寸：定位瓶頸

首先，第一步是定位瓶頸。舉個簡單的栗子，一個函式可以從1秒優化到到0.9秒，另一個函式可以從1分鐘優化到30秒，如果要花的代價相同，而且時間限制只能搞定一個，搞哪個？根據短板原理，當然選第二個啦。

一個有經驗的程式設計師在這裡一定會遲疑一下，等等？函式？這麼說，還要考慮呼叫次數？如果第一個函式在整個程式中需要被呼叫100000次，第二個函式在整個程式中被呼叫1次，這個就不一定了。舉這個栗子，是想說明，程式的瓶頸有的時候不一定一眼能看出來。還是上面那個選擇，程式設計師的你應該有感覺的，大多數情況下：一個「可以」從一分鐘優化到30秒的函式會比一個「可以」從1秒優化到0.9秒的函式更容易捕獲我們的注意，因為有很大的進步空間嘛。

所以，這麼多廢話講完，獻上第一招，profile。這是 python 自帶的定位程式瓶頸的利器！雖然它提供了三種選項profile，cProfile，hotshot。還分為內建和外接。但是，個人覺得一種足矣，外接cProfile。心法如下：

python -m profile 逗比程式.py

這招的效果會輸出一系列東西，比如函式被呼叫了幾次，總時間多少，其中有多少是這個函式的子函式花費的，每次花多少時間，等等。嘛一圖勝千言：

  • filename:lineno(function): 檔名：第幾行（函式名）
  • ncalls: 這貨一共呼叫了幾次
  • tottime: 這貨自己總共花了多少時間，也就是要除掉內部函式小弟們的花費
  • percall: 平均每次呼叫花的時間，tottime 除以 ncalls
  • cumtime: 這貨還有它的所有內部函式小弟們的總花費
  • percall: 跟上面那個 percall 差不多，不過是 cumtime 除以 ncalls

找到最值得優化的點，然後幹吧。

第二招：一蛇禪：只需一招

記得剛開始接觸 Python 的時候，有一位學長告訴我，Python 有一個牛逼的理想，它希望每一個用它的人能寫出一模一樣的程式。Python 之禪有云：

There should be one-- and preferably only one --obvious way to do it

所以 Python 系專業的禪師提供了一些常用功能的 only one 的寫法。本王看了一下傳說中的PythonWiKi:PerformanceTips，總結了幾個「不要醬紫」「要醬紫」。

  1. 合併字串的時候不要醬紫：

    s = ""
    for substring in list:
        s += substring

    要醬紫：

    s = "".join(slist)

  2. 格式化字串的時候不要醬紫：

    out = "<html>" + head + prologue + query + tail + "</html>"

    要醬紫：

    out = "<html>%s%s%s%s</html>" % (head, prologue, query, tail)

  3. 可以不用迴圈的時候就不要用迴圈，比如不要醬紫：

    newlist = []
for word in oldlist:
    newlist.append(word.upper())

    要醬紫：

    newlist = map(str.upper, oldlist)

    或者醬紫：

    newlist = [s.upper() for s in oldlist]

  4. 字典初始化，比較常用的：

    wdict = {}
for word in words:
    if word not in wdict:
        wdict[word] = 0
    wdict[word] += 1

    如果重複的 word 太多了的話，可以考慮用醬紫的模式來省掉大量判斷：

    wdict = {}
for word in words:
    try:
        wdict[word] += 1
    except KeyError:
        wdict[word] = 1

  5. 儘量減少 function 呼叫次數，用內部迴圈代替，比如，不要醬紫：

    x = 0
def doit1(i):
    global x
    x = x + i
list = range(100000)
t = time.time()
for i in list:
    doit1(i)

    要醬紫：

    x = 0
def doit2(list):
    global x
    for i in list:
        x = x + i
list = range(100000)
t = time.time()
doit2(list)

第三招：蛇之狙擊：高速搜尋

這一招部分來源於IBM:Python 程式碼效能優化技巧，搜尋演算法的最高境界是O(1)的演算法複雜度。也就是 Hash Table。本王幸本科的時候學了點資料結構。知道 Python 的 list 使用類似連結串列的方法實現的。如過列表很大的話，在茫茫多的項裡面用 if X in list_a 來做搜尋和判斷效率是非常低的。

Python 的 tuple 我用得非常少，不評論。另兩個我用得非常多的是 set 和 dict。這兩個就是用的類似 Hash Table 的實現方法。

  1. 所以儘量不要醬紫：

    k = [10,20,30,40,50,60,70,80,90]
for i in xrange(10000):
    if i in k:
        #Do something
        continue

    要醬紫：

    k = [10,20,30,40,50,60,70,80,90]
k_dict = {i:0 for i in k}
#先把 list 轉換成 dictionary 
for i in xrange(10000):
    if i in k_dict:
        #Do something
        continue

  2. 找 list 的交集，不要醬紫：

    list_a = [1,2,3,4,5]  
list_b = [4,5,6,7,8]  
list_common = [a for a in list_a if a in list_b]

    要醬紫：

    list_a = [1,2,3,4,5]  
list_b = [4,5,6,7,8]  
list_common = set(list_a)&set(list_b)

第四招：小蛇蛇……：想不出來名字了，就是各種小 Tips

  1. 變數交換不需要中間變數：a,b = b,a (這裡有個神坑，至今記憶深刻：True,False = False,True)
  2. 如果使用 Python2.x，用 xrange 代替 range，如果用 Python3.x，range 已經是 xrange 了，xrange 已經木有了。xrange 不會像 range 一樣生成一個列表，而是生成一個迭代器，省記憶體。
  3. 可以用 x>y>z 代替 x>y and y>z。效率更高，可讀性也更好。當然理論上 x>y
  4. add(x,y) 一般會比 a+b 要快？這個本王有所懷疑，實驗了一下，首先 add 不能直接用，要 import operator，第二，我的實驗結果表示 add(x,y) 完全沒有 a+b 快，更何況還要犧牲可讀性。
  5. while 1 確實比 while True 要快那麼一點點。做了兩次實驗，大概快了15%左右。

第五招：無蛇勝有蛇：程式碼之外的效能

程式碼之外嘛，除了硬體之外，就是編譯器了，這裡隆重推薦 pypy。pypy是一種叫做 just-in-time 的即時編譯器。這個編譯器的特點就是編譯一句跑一句，和靜態的編譯器的區別嘛，我在知乎上看到一個非常形象的比喻：

假定你是一個導演，靜態編譯就是讓演員把整個劇本背下來吃透，然後連續表演一個小時。動態編譯就是讓演員表演兩分鐘，然後思考一下，再看一下劇本，再表演兩分鐘……

動態編譯和靜態編譯各有所長，看你演的是電影還是話劇了。

此外還有一個 Cython 可以在 python 裡內建一些 C 的程式碼。我用的非常少，但是關鍵時刻確實有效。

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