一文帶你掌握常見的 Pandas 效能優化方法，讓你的 pandas 飛起來！

Harry_03發表於2020-01-15
優化

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Pandas是Python中用於資料處理與分析的屠龍刀，想必大家也都不陌生，但Pandas在使用上有一些技巧和需要注意的地方，尤其是對於較大的資料集而言，如果你沒有適當地使用，那麼可能會導致Pandas的執行速度非常慢。

對於程式猿/媛而言，時間就是生命，這篇文章給大家總結了一些pandas常見的效能優化方法，希望能對你有所幫助！

一、資料讀取的優化

讀取資料是進行資料分析前的一個必經環節，pandas中也內建了許多資料讀取的函式，最常見的就是用pd.read_csv()函式從csv檔案讀取資料，那不同格式的檔案讀取起來有什麼區別呢？哪種方式速度更快呢？我們做個實驗對比一下。

這裡採用的資料共59萬行，分別儲存為xlsx、csv、hdf以及pkl格式，每種格式進行10次讀取測試，得到下面的結果。

image

可以看到，對同一份資料，pkl格式的資料的讀取速度最快，是讀取csv格式資料的近6倍，其次是hdf格式的資料，速度最慘不忍睹的是讀取xlsx格式的資料（這僅僅是一份只有15M左右大小的資料集呀）。

所以對於日常的資料集（大多為csv格式），可以先用pandas讀入，然後將資料轉存為pkl或者hdf格式，之後每次讀取資料時候，便可以節省一些時間。程式碼如下：

 import pandas as pd
 #讀取csv
 df = pd.read_csv('xxx.csv')

 #pkl格式
 df.to_pickle('xxx.pkl') #格式另存
 df = pd.read_pickle('xxx.pkl') #讀取

 #hdf格式
df.to_hdf('xxx.hdf','df') #格式另存
df = pd.read_hdf('xxx.pkl','df') #讀取

二、進行聚合操作時的優化

在使用agg和transform進行操作時，儘量使用Python的內建函式，能夠提高執行效率。（資料用的還是上面的測試用例）

1、agg+Python內建函式

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2、agg+非內建函式

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可以看到對 agg 方法，使用內建函式時執行效率提升了60%。

3、transform+Python內建函式

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4、transform+非內建函式

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對transform方法而言，使用內建函式時執行效率提升了兩倍。

三、對資料進行逐行操作時的優化

假設我們現在有這樣一個電力消耗資料集，以及對應時段的電費價格，如下圖所示：

image

image

資料集記錄著每小時的電力消耗，如第一行代表2001年1月13日零點消耗了0.586kwh的電。不同使用時段的電費價格不一樣，我們現在的目的是求出總的電費，那麼就需要將對應時段的單位電費×消耗電量。下面給出了三種寫法，我們分別測試這三種處理方式，對比一下這三種寫法有什麼不同，程式碼效率上有什麼差異。

#編寫求得相應結果的函式
def get_cost(kwh, hour):
    if 0 <= hour < 7:
        rate = 0.6
    elif 7 <= hour < 17:
        rate = 0.68
    elif 17 <= hour < 24:
        rate = 0.75
    else:
        raise ValueError(f'Invalid hour: {hour}')
    return rate * kwh

#方法一：簡單迴圈
def loop(df):
    cost_list = []
    for i in range(len(df)):
        energy_used = df.iloc[i]['energy_kwh']
        hour = df.iloc[i]['date_time'].hour
        energy_cost = get_cost(energy_used, hour)
        cost_list.append(energy_cost)
    df['cost'] = cost_list

#方法二：apply方法
def apply_method(df):
     df['cost'] = df.apply(
         lambda row: get_cost(
             kwh=row['energy_kwh'],
             hour=row['date_time'].hour),
         axis=1)

#方法三：採用isin篩選出各時段，分段處理
df.set_index('date_time', inplace=True)
def isin_method(df):
    peak_hours = df.index.hour.isin(range(17, 24))
    simple_hours = df.index.hour.isin(range(7, 17))
    off_peak_hours = df.index.hour.isin(range(0, 7))

    df.loc[peak_hours, 'cost'] = df.loc[peak_hours, 'energy_kwh'] * 0.75
    df.loc[simple_hours,'cost'] = df.loc[simple_hours, 'energy_kwh'] * 0.68
    df.loc[off_peak_hours,'cost'] = df.loc[off_peak_hours, 'energy_kwh'] * 0.6

測試結果：

image

可以看到，採用isin() 篩選出對應資料後分開計算的速度是簡單迴圈的近606倍，這並不是說 isin() 有多厲害，方法三速度快是因為它採用了向量化的資料處理方式（這裡的isin() 是其中一種方式，還有其他方式，大家可以嘗試一下） ，這才是重點。什麼意思呢？

這裡簡單畫了個圖，大家可以結合這個圖和程式碼好好體會是一個一個處理快，還是把能進行相同操作的分開然後批量處理快。

image

四、使用numba進行加

如果在你的資料處理過程涉及到了大量的數值計算，那麼使用numba可以大大加快程式碼的執行效率，numba使用起來也很簡單，下面給大家演示一下。（程式碼處理不具有實際意義，只是展示一下效果）

首先需要安裝numba模組

>>>pip install numba

我們用一個簡單的例子測試一下numba的提速效果

import numba

@numba.vectorize
def f_with_numba(x): 
    return x * 2

def f_without_numba(x): 
    return x * 2

#方法一：apply逐行操作
df["double_energy"] = df.energy_kwh.apply(f_without_numba)

#方法二：向量化執行
df["double_energy"] = df.energy_kwh*2

#方法三：運用numba加速
#需要以numpy陣列的形式傳入
#否則會報錯
df["double_energy"] = f_with_numba(df.energy_kwh.to_numpy())

image

從測試結果來看，再次凸顯出向量化處理的優勢，同時numba對原本速度已經很快的向量化處理也能提高一倍多的效率。更多numba的使用方法請參考numba的使用文件。

參考資料：

1、https://pandas.pydata.org/pandasdocs/stabl...

2、https://realpython.com/fast-flexible-panda...

3、https://www.cnblogs.com/wkang/p/9794678.ht...

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