Matlab中使用FLOPS计算代码复杂度(浮点数运算次数)方法

这篇文章介绍了如何使用MATLAB的FLOPS函数来计算代码中的浮点数运算次数,包括脚本和包含子函数的情况,并提供了一个官方示例,展示了如何使用`profile`函数和`FLOPS`函数来评估和优化代码性能。

参考网址

Counting the Floating Point Operations (FLOPS) - File Exchange - MATLAB Central (mathworks.cn)

方法介绍

第1步

准备好需要计算浮点数运算次数的Matlab的.m文件。需要注意的是,尽量让代码结构尽可能简单,只调用常见的函数运算、矩阵操作等。如果代码中必须要调用自己构建的函数,则必须通过子函数将它们内部化,以便后续步骤也可以对它们进行解析。

第2步

在.m文件中代码的最后,将所有变量保存在MAT文件中,只要一行代码即可:

save "MATfileName"

如果代码中包含子函数,则上述代码改为:

save('MATfileName','-append')

第3步

分析Matlab代码,代码如下(本文最后会讲解官方示例):

profile on;
运行fileName;
profileStruct=profile('info');

第4步

调用FLOPS函数并计算浮点数运算次数

[flopTotal,Details]=FLOPS(fileName,MATfileName,profileStruct);

官方示例

1.脚本(Script)

脚本示例:

% This is just a test of FLOPS counting

% Matrix dimensions
m = 3;
n = 4;
k = 5;

% Matrix generation
A = rand(m,n);
B = ones(m,n);
C = randn(n,k) <= 0.5;

% Test plus, minus, multiplication and division
D = A + B;
E = A * C;
F = ((A .* (A + B)) ./ (A-B)) * C;
G = bsxfun(@minus,A,mean(A));

% Test linear algebra
P = rand(m);
PP = P * P';
P = chol(P*P');
[L,U] = lu(P);
[Q,R] = qr(P);
P = inv(P);
x = P \ rand(m,1);

% Test statistics and math function
for r = 1:m
    S = sum(A);
    S = sin(A+2*B);
end

% Test user supplied rules
R = mod(randi(100,m,n), randi(100,m,n));
g = gamma(A);

% Save all variables in a MAT file for FLOPS counting
save exampleScriptMAT

计算示例:

profile on
exampleScript
profileStruct = profile('info');
[flopTotal,Details]  = FLOPS('exampleScript','exampleScriptMAT',profileStruct);

2.函数(Function,包含有子函数)

脚本示例:

function [Beta_draws,ME1,ME2] = exampleFun(Y,X,ndraws,burn_in)

% Purpose: 
% Bayesian Estimate of the Probit model and the marginal effects
% -----------------------------------
% Model:
% Yi* = Xi * Beta + ui , where normalized ui ~ N(0,1)
% Yi* is unobservable. 
% If Yi* > 0, we observe Yi = 1; If Yi* <= 0, we observe Yi = 0
% -----------------------------------
% Algorithm: 
% Gibbs sampler. Proper prior Beta ~ N(mu,V).
% Posterior Beta has conjugate normal.
% Posterior latent variable follows truncated normal.
% -----------------------------------
% Usage:
% Y = dependent variable (n * 1 vector)
% X = regressors (n * k matrix)
% ndraws = number of draws in MCMC
% burn_in = number of burn-in draws in MCMC
% -----------------------------------
% Returns:
% Beta_draws = posterior draws of coefficients corresponding to the k regressors
% ME1 = marginal effects (average data)
% ME2 = marginal effects (individual average)
% -----------------------------------
% Notes: 
% Probit model is subject to normalization.
% The variance of disturbances is set to 1, and a constant is added to X.
% 
% Version: 06/2012
% Written by Hang Qian, Iowa State University
% Contact me:  matlabist@gmail.com


if nargin<2;    error('Incomplete data.');      end
if nargin<3;    ndraws = 300;                                          end
if nargin<4;    burn_in = ndraws * 0.5;                                  end

MissingValue = any(isnan([Y,X]),2);
if any(MissingValue)
    disp('There are missing values in your data.')
    disp(['Discard observations: ',num2str(find(MissingValue'))])
    FullValue = ~MissingValue;    Y = Y(FullValue);    X = X(FullValue,:);
end

[nobs,nreg] = size(X);

%----------------------------------------
% Prior distribution settings
%  Beta ~ N(mu,V)
% You may change the hyperparameters here if needed
prior_mu = zeros(nreg,1);
prior_V = 100 * eye(nreg);
%-----------------------------------------



Beta_draws = zeros(nreg,ndraws-burn_in);
Z = X * ((X'*X)\(X'*Y));
XX = X' * X;
inv_prior_V = inv(prior_V);
truncate_lower =  -999 * (Y == 0);
truncate_upper =   999 * (Y == 1);

for r = 1:ndraws
    
    beta_D = inv(XX + inv_prior_V);
    beta_d = X' * Z + inv_prior_V * prior_mu; %#ok<MINV>
    P = chol(beta_D);
    Beta_use = beta_D * beta_d + P' * randn(nreg,1); %#ok<MINV>
        
    Z = TN_RND(X*Beta_use,1,truncate_lower,truncate_upper,nobs);
    
    if r > burn_in        
        Beta_draws(:, r - burn_in) = Beta_use;
    end
end

Beta_mean = mean(Beta_draws,2);
Beta_std = std(Beta_draws,0,2);


% ME1 = normpdf(mean(X)*Beta_mean,0,1) * Beta_mean;
% ME2 = mean(normpdf(X*Beta_mean,0,1)) * Beta_mean;
ME1 = 1/sqrt(2*pi)*exp(-0.5*(mean(X)*Beta_mean).^2) * Beta_mean;
ME2 = mean(1/sqrt(2*pi)*exp(-0.5*(X*Beta_mean).^2)) * Beta_mean;


result = cell(nreg + 1,5);
result(1,:) = {'Coeff.','Post. mean','Post. std','ME(avg. data)','ME(ind. avg.)'};          
for m = 1:nreg
    result(m + 1,1) = {['C(',num2str(m),')']};
    result(m + 1,2:5) = {Beta_mean(m),Beta_std(m),ME1(m),ME2(m)};    
end

disp(' ')
disp(result)


save('exampleFunMat','-append')

end

%-------------------------------------------------------------------------
% Subfunction
function sample = TN_RND(mu,sigma,lb,ub,ndraws)

% Purpose: 
% Generate random numbers from truncated normal distribution
% TN(lb,ub) (mu, sigma)
% -----------------------------------
% Density:
% f(x) = 1/(Phi(ub)-Phi(lb)) * phi(x,mu,sigma)
% -----------------------------------
% Algorithm: 
% Inverse CDF
% -----------------------------------
% Usage:
% mu = location parameter
% sigma = scale parameter
% lb = lower bound of the random number
% ub = upper bound of the random number
% ndraws = number of draws
% -----------------------------------
% Returns:
% sample = random numbers from TN(lb,ub) (mu, sigma)
% -----------------------------------
% Notes:
% 1. If at least one of the arguments mu,sigma,lb,ub are vectors/matrix,
%    It will return a vector/matrix random numbers with conformable size.
% 2. If there is no lower/upper bound, use Inf or some large number instead
%
% Version: 06/2012
% Written by Hang Qian, Iowa State University
% Contact me:  matlabist@gmail.com

if nargin < 4; ub = 999;end
if nargin < 3; lb = -999;end
if nargin < 2; sigma = 1;end
if nargin < 1; mu = 0;end

prob_ub = normcdf(ub,mu,sigma);
prob_lb = normcdf(lb,mu,sigma);
prob_diff = prob_ub - prob_lb;

ndraws_check = length(prob_diff);
if nargin < 5 | ndraws_check > 1 %#ok<OR2>
    ndraws = ndraws_check;
    U = prob_diff;
    U(:) = rand(ndraws,1);
else
    U = rand(ndraws,1);
end

U_rescale = prob_lb + U .* prob_diff;
sample = norminv(U_rescale,mu,sigma);

save('exampleFunMat')

end

可以看到,exampleFun函数中TN_RND函数是自己构建的一个函数,且这个函数必须调用,因此需要将这个函数作为子函数内部化,并且在子函数后面也要加上保存语句,注意在保存主函数时需要加上'-append'

计算示例:

%% Example 2: MATLAB Functions
X = randn(100,3); Y = (X*[1 2 3]'+randn(100,1))>0;
profile on
[Beta_draws,ME1,ME2] = exampleFun(Y,X);
profileStruct = profile('info');
[flopTotal,Details] = FLOPS('exampleFun','exampleFunMat',profileStruct);
<think>好的,用户想在Python代码计算或估计浮点数运算次数。首先,我需要理解用户的需求。他们可能是在优化代码性能,或者进行算法分析,需要知道浮点运算次数来衡量计算复杂度。接下来,我得考虑Python中如何跟踪这些运算。 手动插桩是个直接的方法。用户可以在代码中添加计数器,在每个涉及浮点运算的地方手动增加计数。例如,加减乘除、幂运算等。但这种方法需要仔细检查每个操作,对于复杂代码可能效率低下,容易遗漏。 然后,想到使用装饰器或上下文管理器来自动化这个过程。装饰器可以包装函数,在函数执行前后记录运算次数。但需要确定如何检测浮点运算,可能需要AST(抽象语法树)分析,或者运行时跟踪。AST分析可以在代码解析阶段插入计数代码,但实现起来比较复杂。 第三方工具如sys.settrace或者使用性能分析工具可能更高效。例如,使用line_profiler或者cProfile,但默认这些工具可能不会区分浮点运算和其他操作。可能需要定制。 另外,考虑使用LLVM或类似工具进行底层分析,但这对普通用户来说可能难度太大。或者模拟执行,使用像sympy这样的符号计算库来跟踪运算,但可能影响性能且复杂。 用户可能需要折中方案:对于简单代码,手动插桩最可靠;对于复杂项目,使用AST分析自动插桩。或者寻找现有的库,比如flop-counter,但不确定是否有Python的现成库。 最后,要提醒用户注意,精确计数可能困难,因为Python的动态性和解释执行,某些运算可能被优化或底层实现不同。估算时可能需要结合算法理论分析和实际测量。</think>### 如何估算Python代码中的浮点运算次数 #### 方法一:手动代码插桩 1. **识别浮点运算位置** 在加减乘除、幂运算等位置插入计数器,例如: ```python flop_count = 0 a = 3.14 + 2.71 # flop_count += 1 b = (a * 1.618) ** 2 # flop_count += 3(乘、幂、乘) ``` 2. **处理循环结构** 需考虑循环次数运算量的影响: ```python flop_count = 0 for _ in range(100): x = y * z + w # flop_count += 2 * 100 ``` #### 方法二:AST自动插桩 使用Python的`ast`模块分析抽象语法树: ```python import ast class FlopCounter(ast.NodeTransformer): def visit_BinOp(self, node): if isinstance(node.op, (ast.Add, ast.Sub, ast.Mult, ast.Div)): self.flop_count += 1 return node ``` #### 方法三:使用性能分析工具 结合`cProfile`与自定义过滤: ```python import cProfile def count_float_ops(): # 目标函数 pass profiler = cProfile.Profile() profiler.enable() count_float_ops() profiler.disable() # 分析profiler.getstats()中的浮点运算相关调用 ``` #### 注意事项 1. 混合精度计算中不同位宽运算的换算 2. 向量化运算(如NumPy)的特殊处理 3. Python解释器优化(如常量折叠)的影响 例如矩阵乘法: ```python import numpy as np # 标准矩阵乘法FLOPs为2n³ - n² def matmul_flops(a, b): return 2 * a.shape[0] * a.shape[1] * b.shape[1] - a.shape[0] * b.shape[1] ```
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