Numba加速Python程序

本文介绍如何使用Numba库中的JIT技术显著提升Python程序运行效率。通过对比有无使用JIT技术的相同函数,展示了当数据量增大时,使用Numba的函数运行时间基本不变,而未使用Numba的函数运行时间呈线性增长。

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众所周知,Python和Java一样是基于虚拟机的语言,并不是像C/C++那样将程序代码编译成机器语言再运行,而是解释一行执行一行,速度比较慢。使用Numba库的JIT技术编译以后,可以明显提高程序的运行速度。

首先,使用PyCharm安装Numba库,在Project Interpreter界面可以安装。

程序代码:

import numpy as np
from numba import jit
import time

@jit
def sum_jit(arr):
    s_time = time.time()
    m = arr.shape[0]
    result = 0.0
    for i in range(m):
        result += arr[i]
    e_time = time.time()
    return (e_time-s_time)

def sum(arr):
    s_time = time.time()
    m = arr.shape[0]
    result = 0.0
    for i in range(m):
        result += arr[i]
    e_time = time.time()
    return (e_time-s_time)

def main():
    n = int(10.0*1e6)
    array = np.random.random(n)
    t1 = sum_jit(array)
    t2 = sum(array)
    print("Time with JIT:", t1)
    print("Time without JIT:", t2)

if __name__ == '__main__':
    main()

上面代码的sum()和sum_jit()两个函数完全相同,区别在于sum_jit()添加了@jit注解,表面该函数使用Numba JIT进行编译以后再运行,而sum()是不编译的运行。对main()中n的值取1×106~10×106,计算每个值两个函数运行的时间,单位为Second,如下图所示:

可以看到随着运算量的线性增加,sum()的运行时间几乎也是线性增加的,而sum_jit()的运行时间基本上保持不变,运算量的增加并没有带来影响。

Python 加速程序运行主要有以下几个途径: 1. **优化算法**:选择更高效的算法可以大幅度提升程序性能。有时候,即使是简单的优化也能带来显著的效果。 2. **利用 Python 编程库和框架**:很多针对特定任务设计的库和框架已经经过了大量的优化工作。例如,对于数据处理、科学计算等应用领域,`NumPy`、`Pandas` 和 `SciPy` 等库通常比原生 Python 要快得多。同时,如`Dask`这样的库可以帮助处理大型数据集而不会导致内存溢出。 3. **多线程与异步编程**:利用 Python 的 `concurrent.futures` 模块或第三方库如 `asyncio` 进行多线程或多进程编程,可以并行执行任务,提高程序的执行效率。注意,由于 GIL(全局解释器锁),单 CPU 核心下多线程可能不会提供预期的速度提升;但对于多核心处理器,多线程仍然有明显的加速效果。 4. **使用 JIT 编译器**:JIT(Just-In-Time)编译器可以在程序运行时将部分或全部 Python 代码转换成机器码,减少解释过程带来的性能损耗。例如,`Numba` 就是一个流行的 Python JIT 编译器,它特别擅长加速数学密集型代码。 5. **降低 IO 开销**:IO 操作通常是 Python 程序的瓶颈之一。优化文件读写、数据库查询等操作,比如通过缓存策略减少频繁访问,可以有效提升性能。 6. **编写 Cython 或 C/C++ 插件**:对于最核心的部分,可以考虑使用 C/C++ 编写代码并通过 Cython 或其他工具将其集成到 Python 中,这种方式可以极大提高关键模块的执行速度。 7. **避免全局变量和递归调用**:过多使用全局变量可能导致性能下降,因为每次函数调用都需要从堆栈上下文切换和恢复状态。递归调用同样会消耗大量的系统资源,并可能导致栈溢出错误。 8. **使用低级语言编写的高性能库**:如使用 Cython 直接调用 C 函数,或者使用像 Numexpr 这样的库,它们底层都是用 C 或 C++ 实现的,能提供极高的性能。 9. **调整 Python 解释器设置**:适当调整 Python 解释器的配置选项,如启用 GC(垃圾回收)优化、调整循环缓冲区大小等,有时也可以提高程序运行效率。 实施上述方法时,应先对程序进行详细的性能分析,找出瓶颈所在,然后针对性地采取措施。记住,在追求性能的同时,也要考虑到代码的可维护性和可读性。
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