furry.cat 20 апреля 2020

10 практик кода, ускоряющих выполнение программ на Python 🐍

Сравниваем скорость выполнения распространенных (но не очень эффективных) решений и по-настоящему производительного кода на чистом Python без привлечения сторонних библиотек.
4
6898

«Питон – медленный». Наверняка вы не раз сталкивались с этим утверждением, особенно от людей, пришедших в Python из C, C++ или Java. Во многих случаях это верно. Циклы или сортировка массивов, списков или словарей иногда действительно работают медленно. В конце концов, главная миссия Python – сделать программирование приятным и легким. Ради лаконичности и удобочитаемости пришлось отчасти принести в жертву производительность.

Тем не менее, в последние годы предпринято немало усилий для решения проблемы. Теперь мы можем эффективно обрабатывать большие наборы данных с помощью NumPy, SciPy, Pandas и numba, поскольку все эти библиотеки написаны на C/C++. Еще один интересный проект – PyPy ускоряет код Python в 4.4 раза по сравнению с CPython (оригинальная реализация Python).

Недостаток PyPy – нет поддержки некоторых популярных модулей, например, Matplotlib, SciPy.

Но ускорить Python можно и без внешних библиотек. В наших силах разогнать его с помощью полезных трюков, используемых в повседневной практике кодинга.

1. Стандартные функции

<a href="https://docs.python.org/3/library/functions.html" target="_blank" rel="noopener noreferrer nofollow">Список встроенных функций Python 3</a>
Список встроенных функций Python 3

В Python много работающих очень быстро реализованных на C встроенных функций. Они покрывают большинство тривиальных вычислительных операций (abs, min, max, len, sum). Хороший разработчик должен их знать, чтобы в подходящем месте не изобретать неуклюжие велосипеды, а брать надёжное стандартное решение. Возьмём в качестве примеров встроенные функции set() и sum(). Сравним их работу с кастомными реализациями того же функционала.

Пример для set():

        import random
random.seed(666)
a_long_list = [random.randint(0, 50) for i in range(1000000)]

# 1. Кастомная реализация set
%%time
unique = []
for n in a_long_list:
  if n not in unique:
    unique.append(n)

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 316 ms, sys: 1.36 ms, total: 317 ms
# Wall time: 317 ms

# 2. Встроенная функция set
%%time  
unique = list(set(a_long_list))

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 8.74 ms, sys: 110 μs, total: 8.85 ms
# Wall time: 8.79 ms
    

Пример для sum():

        # 1. Кастомная реализация sum
%%time
sum_value = 0
for n in a_long_list:
  sum_value += n
print(sum_value)

# Вывод в консоли:
# 25023368
# CPU times: user 9.91 ms, sys: 2.2 ms, total: 101 ms
# Wall time: 100 ms

# 2. Встроенная функция sum
%%time
sum_value = sum(a_long_list)
print(sum_value)

# Вывод в консоли:
# 25023368
# CPU times: user 4.74 ms, sys: 277 μs, total: 5.02 ms
# Wall time: 4.79 ms
    

Стандартные варианты в 36 (set) и 20 (sum) раз быстрее, чем функции, написанные самим разработчиком.

2. sort() vs sorted()

Если нам просто нужен отсортированный список, при этом неважно, что будет с оригиналом, sort() будет работать немного быстрее, чем sorted(). Это справедливо для базовой сортировки:

        # 1. Дефолтная сортировка с использованием sorted()
%%time
sorted(a_long_list)

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 12 ms, sys: 2.51 ms, total: 14.5 ms
# Wall time: 14.2 ms

# 2. Дефолтная сортировка с использованием sort()
%%time
a_long_list.sort()

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 8.52 ms, sys: 82 μs, total: 8.6 ms
# Wall time: 10 ms
    

Справедливо и для сортировки с использованием ключа – параметра key, который определяет сортировочную функцию:

        # 1. Сортировка с ключом с использованием sorted()
%%time
str_list1 = "Although both functions can sort list, there are small differences".split()
result = sorted(str_list1, key=str.lower)
print(result)

# Вывод в консоли:
# ['Although', 'are', 'both', 'can', 'differences', 'functions', 'list,', 'small', 
'sort', 'there']
# CPU times: user 29 μs, sys: 0 ns, total: 29 μs
# Wall time: 32.9 μs

# 2. Сортировка с ключом с использованием sort()
%%time
str_list2 = "Although both functions can sort list, there are small differences".split()
str_list2.sort(key=str.lower)
print(str_list2)

# Вывод в консоли:
# ['Although', 'are', 'both', 'can', 'differences', 'functions', 'list,', 'small', 
'sort', 'there']
# CPU times: user 26 μs, sys: 0 ns, total: 26 μs
# Wall time: 29.8 μs

# 3. Сортировка с ключом (лямбда) с использованием sorted()
%%time
str_list1 = "Although both functions can sort list, there are small differences".split()
result = sorted(str_list1, key=lambda str: len(str))
print(result)

# Вывод в консоли:
# ['can', 'are', 'both', 'sort', 'list,', 'there', 'small', 'Although', 'functions', 'differences']
# CPU times: user 61 μs, sys: 3 μs, total: 64 μs
# Wall time: 59.8 μs

# 4. Сортировка с ключом (лямбда) с использованием sort()
%%time
str_list2 = "Although both functions can sort list, there are small differences".split()
str_list2.sort(key=lambda str: len(str))
print(str_list2)

# Вывод в консоли:
# ['can', 'are', 'both', 'sort', 'list,', 'there', 'small', 'Although', 'functions', 'differences']
# CPU times: user 36 μs, sys: 0 ns, total: 36 μs
# Wall time: 38.9 μs
    

Так происходит потому, что метод sort() изменяет список прямо на месте, в то время как sorted() создает новый отсортированный список, сохраняя исходный нетронутым. Другими словами, порядок значений внутри a_long_list фактически уже изменился.

Однако функция sorted() более универсальна. Она может работать с любой итерируемой структурой. Поэтому, если нужно отсортировать, например, словарь (по ключам или по значениям), придется использовать sorted():

        a_dict = {'A': 1, 'B': 3, 'C': 2, 'D': 4, 'E': 5}

# 1. Дефолтная сортировка по ключам
%%time
result = sorted(a_dict) 
print(result)

# Вывод в консоли:
# ['A', 'B', 'C', 'D', 'E']
# CPU times: user 4 μs, sys: 0 ns, total: 4 μs
# Wall time: 6.91 μs

# 2. Cортировка по значениям, результат в виде списка кортежей
%%time
result = sorted(a_dict.items(), key=lambda item: item[1]) 
print(result)

# Вывод в консоли:
# [('A', 1), ('C', 2), ('B', 3), ('D', 4), ('E', 5)]
# CPU times: user 7 μs, sys: 0 ns, total: 7 μs
# Wall time: 8.82 μs

# 3. Сортировка по значениям, результат в виде словаря
%%time
result = {key: value for key, value in sorted(a_dict.items(), key=lambda item: item[1])}
print(result)

# Вывод в консоли:
# {'A': 1, 'C': 2, 'B': 3, 'D': 4, 'E': 5}
# CPU times: user 8 μs, sys: 0 ns, total: 8 μs
# Wall time: 11.2 μs
    

3. Литералы вместо функций

Когда нужен пустой словарь или список, вместо dict() или list(), можно напрямую вызвать {} и [] (для пустого множества все еще нужна функция set()). Этот прием не обязательно ускорит ваш код, но сделает его более "pythonic".

        # 1. Создание пустого словаря с помощью dict()
%%time
sorted_dict1 = dict()
for key, value in sorted(a_dict.items(), key=lambda item:item[1]):
  sorted_dict1[key] = value

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 10 μs, sys: 0 ns, total: 10 μs
# Wall time: 12.2 μs

# 2. Создание пустого словаря с помощью литерала словаря
%%time
sorted_dict2 = {}
for key, value in sorted(a_dict.items(), key=lambda item:item[1]):
  sorted_dict2[key] = value

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 9 μs, sys: 0 ns, total: 9 μs
# Wall time: 11 μs

# 3. Создание пустого списка с помощью list()
%%time
list()

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 3 μs, sys: 0 ns, total: 3 μs
# Wall time: 3.81 μs

# 4. Создание пустого списка с помощью литерала списка
%%time
[]

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 2 μs, sys: 0 ns, total: 2 μs
# Wall time: 3.1 μs
    

4. Генераторы списков

Обычно, когда требуется создать новый список из старого на основе определенных условий, мы используем цикл for – итерируем все значения и сохраняем нужные в новом списке.

Например, отберём все чётные числа из списка another_long_list:

        even_num = []
for number in another_long_list:
    if number % 2 == 0:
        even_num.append(number)

    

Но есть более лаконичный и элегантный способ сделать то же самое. Код цикла for можно сократить до одной-единственной строки с помощью генератора списка, выиграв при этом в скорости почти в два раза:

        import random
random.seed(666)
another_long_list = [random.randint(0,500) for i in range(1000000)]

# 1. Создание нового списка с помощью цикла for
%%time
even_num = []
for number in another_long_list:
  if number % 2 == 0:
    even_num.append(number)

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 113 ms, sys: 3.55 ms, total: 117 ms
# Wall time: 117 ms

# 2. Создание нового списка с помощью генератора списка
%%time
even_num = [number for number in another_long_list if number % 2 == 0]

# Вывод в консоли:
# CPU times: user 56.6 ms, sys: 3.73 ms, total: 60.3 ms
# Wall time: 64.8 ms
    

Сочетая это правило с Правилом #3 (использование литералов), мы легко можем превратить список в словарь или множество, просто изменив скобки:

        a_dict = {'A': 1, 'B': 3, 'C': 2, 'D': 4, 'E': 5}

sorted_dict3 = {key: value for key, value 
  in sorted(a_dict.items(), key=lambda item: item[1])}
print(sorted_dict3)

# Вывод в консоли:
# {'A': 1, 'C': 2, 'B': 3, 'D': 4, 'E': 5}
    

Разберёмся в коде:

  • Выражение sorted(a_dict.items(), key=lambda item: item[1]) возвращает список кортежей [('A', 1), ('C', 2), ('B', 3), ('D', 4), ('E', 5)].
  • Далее мы распаковываем кортежи и присваиваем первый элемент каждого кортежа в переменную key, а второй – в переменную value.
  • Наконец, сохраняем каждую пару key-value в словаре.

5. enumerate() для значения и индекса

Иногда при переборе списка нужны и значения, и их индексы. Чтобы вдвое ускорить код используйте enumerate() для превращения списка в пары индекс-значение:

        import random
random.seed(666)
a_short_list = [random.randint(0,500) for i in range(5)]

# 1. Получение индексов с помощью использования длины списка
%%time
for i in range(len(a_short_list)):
  print(f'number {i} is {a_short_list[i]}')

# Вывод в консоли:
# number 0 is 233
# number 1 is 462
# number 2 is 193
# number 3 is 222
# number 4 is 145
# CPU times: user 189 μs, sys: 123 μs, total: 312 μs
# Wall time: 214 μs

# 2. Получение индексов с помощью enumerate()
for i, number in enumerate(a_short_list):
  print(f'number {i} is {number}')

# Вывод в консоли:
# number 0 is 233
# number 1 is 462
# number 2 is 193
# number 3 is 222
# number 4 is 145
# CPU times: user 72 μs, sys: 15 μs, total: 87 μs
# Wall time: 90.1 μs


    

6. zip() для перебора нескольких списков

В некоторых случаях приходится перебирать более одного списка. Для ускорения операции рекомендуется использовать функцию zip(), которая преобразует их в общий итератор кортежей:

        list1 = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']
list2 = ['1', '2', '3', '4', '5']

pairs_list = [pair for pair in zip(list1, list2)]
print(pairs_list)

# Вывод в консоли:
[('a', '1'), ('b', '2'), ('c', '3'), ('d', '4'), ('e', '5')]
    

Обратите внимание, списки должны быть одинаковой длины, так как функция zip() останавливается, когда заканчивается более короткий список.

И наоборот, чтобы получить доступ к элементам каждого кортежа, мы можем распаковать список кортежей, добавив звездочку (*) и используя множественное присваивание:

        # 1. Распаковка списка кортежей с помощью zip()
%%time
letters1, numbers1 = zip(*pairs_list)
print(letters1, numbers1)

# Вывод в консоли:
('a', 'b', 'c', 'd', 'e') ('1', '2', '3', '4', '5')
# CPU times: user 5 μs, sys: 1e+03 ns, total: 6 μs
# Wall time: 6.91 μs

# 2. Распаковка списка кортежей простым перебором
letters2 = [pair[0] for pair in pairs_list]
numbers2 = [pair[1] for pair in pairs_list]
print(letters2, numbers2)

# Вывод в консоли:
['a', 'b', 'c', 'd', 'e'] ['1', '2', '3', '4', '5']
# CPU times: user 5 μs, sys: 1e+03 ns, total: 6 μs
# Wall time: 7.87 μs
    

7. Комбинация set() и in

Если нужно проверить, содержит ли список некоторое значение, можно написать такую неуклюжую функцию:

        import random
random.seed(666)
another_long_list = [random.randint(0,500) for i in range(1000000)]

def check_membership(n):
    for element in another_long_list:
        if element == n:
            return True
    return False
    

Однако есть более характерный для Python способ сделать это – использовать оператор in:

        # 1. Проверка наличия значения в списке перебором элементов
%%time
check_membership(900)

# Вывод в консоль
# CPU times: user 29.7 ms, sys: 847 μs, total: 30.5 ms
# Wall time: 30.2 ms

# 2. Проверка наличия значения в списке с помощью in
900 in another_long_list

# Вывод в консоль
# CPU times: user 10.2 ms, sys: 79 μs, total: 10.3 ms
# Wall time: 10.3 ms
    

Повысить эффективность можно предварительным удалением из списка дубликатов с помощью set. Таким образом, мы сократим количество элементов для проверки. Кроме того, оператор in очень быстро работает с множествами.

        # Убираем дубликаты
check_list = set(another_long_list)

# Вывод в консоль
# CPU times: user 19.8 ms, sys: 204 μs, total: 20 ms
# Wall time: 20 ms

# Проверяем наличие значения в списке
900 in check_list

# Вывод в консоль
# CPU times: user 2 μs, sys: 0 ns, total: 2 μs
# Wall time: 5.25 μs
    

Преобразование списка в множество заняло 20 мс. Но это одноразовые затраты. Зато сама проверка заняла 5 мкс – то есть в 2 тыс. раз меньше, что становится важным при частых обращениях.

8. Проверка на True

Практически в любой программе необходимо проверять, являются ли переменные/списки/словари/... пустыми. На этих проверках тоже можно немножко сэкономить.

Не следует явно указывать == True или is True в условии if, достаточно указать имя проверяемой переменной. Это экономит ресурсы, которые использует «магическая» функция __eq__ для сравнения значений.

        string_returned_from_function = 'Hello World'

# 1. Явная проверка на равенство
%%time
if string_returned_from_function == True:
  pass

# Вывод в консоль
# CPU times: user 3 μs, sys: 0 ns, total: 3 μs
# Wall time: 5.01 μs

# 2. Явная проверка с использованием оператора is
%%time
if string_returned_from_function is True:
  pass

# Вывод в консоль
# CPU times: user 2 μs, sys: 1 ns, total: 3 μs
# Wall time: 4.05 μs

# 3. Неявное равенство
%%time
if string_returned_from_function:
  pass

# Вывод в консоль
# CPU times: user 3 μs, sys: 0 ns, total: 3 μs
# Wall time: 4.05 μs
    

Аналогично можно проверять обратное условие, добавив оператор not:

        if not string_returned_from_function:
  pass
    

9. Подсчет уникальных значений с Counter()

Если нам необходимо подсчитать количество уникальных значений в списке, можно, например, создать словарь, в котором ключи – это значения списка, а значения – счетчик встречаемости.

        %%time
num_counts = {}
for num in a_long_list:
    if num in num_counts:
        num_counts[num] += 1
    else:
        num_counts[num] = 1

# Вывод в консоль
# CPU times: user 448 ms, sys: 1.77 ms, total: 450 ms
# Wall time: 450 ms
    

Однако более эффективный способ для решения этой задачи – использование Counter() из модуля collections. Весь код при этом уместится в одной строчке:

        %%time
num_counts2 = Counter(a_long_list)

# Вывод в консоль
# CPU times: user 40.7 ms, sys: 329 μs, total: 41 ms
# Wall time: 41.2 ms
    

Этот фрагмент будет работать примерно в 10 раз быстрее, чем предыдущий.

У Counter также есть удобный метод most_common, позволяющий получить самые часто встречающиеся значения:

        for number, count in num_counts2.most_common(10):
  print(number, count)

# Вывод в консоль
29 19831
47 19811
7 19800
36 19794
14 19761
39 19748
32 19747
16 19737
34 19729
33 19729

    

Одним словом, collections – это замечательный модуль, который должен быть в базовом наборе инструментов любого Python-разработчика. Не поленитесь прочитать наше руководство по применению модуля.

10. Цикл for внутри функции

Представьте, что вы создаете функцию, которую нужно повторить некоторое количество раз. Очевидный способ решения этой задачи – помещение функции внутрь цикла for.

        def compute_cubic1(number):
  return number**3

%%time
new_list_cubic1 = [compute_cubic1(number) for number in a_long_list]

# Вывод в консоль
# CPU times: user 335 ms, sys: 14.3 ms, total: 349 ms
# Wall time: 354 ms
    

Однако правильнее будет перевернуть конструкцию – и поместить цикл внутрь функции.

        def compute_cubic2():
  return [number**3 for number in a_long_list]

%%time
new_list_cubic2 = compute_cubic2()

# Вывод в консоль
# CPU times: user 261 ms, sys: 15.7 ms, total: 277 ms
# Wall time: 277 ms
    

В данном примере для миллиона итераций (длина a_long_list) мы сэкономили около 22% времени.

***

Будем рады, если вы поделитесь в комментариях своими подходами к ускорению кода в Python. Вот ещё несколько статей, которые могут вас заинтересовать:

Источники

РУБРИКИ В СТАТЬЕ

МЕРОПРИЯТИЯ

Комментарии 4

ВАКАНСИИ

Frontend разработчик (react native)
по итогам собеседования
Unity3D Developer (Middle/Senior)
Ростов-на-Дону, по итогам собеседования
Java-разработчик
Москва, от 180000 RUB до 230000 RUB
Unity Developer
по итогам собеседования

ЛУЧШИЕ СТАТЬИ ПО ТЕМЕ

BUG