La distribución y el paralelismo de Python calculan con precisión π más de 20.000 dígitos en tres minutos

La distribución y el paralelismo de Python calculan con precisión π más de 20.000 dígitos en tres minutos

Hace mucho tiempo que no escribo un blog. He aprendido mucho en mi tercer año. Tengo que aprender mucho conocimiento profesional. Este semestre tengo que aprender sobre redes informáticas, distribución y paralelismo, y minería de datos. ... Esta vez la programación paralela ha sido accidentada y he aprendido mucho de ella. Aprecio el momento. ¡Es hora de bloguear!

Introducción al problema: dentro del límite de tiempo de 3 minutos, intente generar tantos valores π como sea posible e impleméntelos en paralelo.

1. Comprender la fórmula y el algoritmo para

calcular π Hay muchas fórmulas para calcular π, aquí hay algunas, los lectores pueden buscar por sí mismos:
1. Fórmula de Ramanujan
2. Algoritmo de Gauss-Legendre
3. Fórmula
4 de Leibniz , cuatro iteraciones de Polvin,
5, Fórmula de Chudnovsky (adecuada para la programación de computadoras),
aquí hay un enlace: La derivación de la fórmula de cálculo de pi ¡
Sin embargo, aquí estoy usando la fórmula mágica de BBP! ¡Cualquier dígito de Pi se puede calcular de forma independiente! ¡Una vez conmocionó a todo el mundo de las matemáticas! La razón es que la implementación de esta fórmula requiere menos funciones y es adecuada para computación en paralelo.

Dos, escritura de código paralelo

import time
from concurrent.futures.process import ProcessPoolExecutor
from decimal import Decimal, getcontext


def getPow(a, n):
    res = 1
    while n:
        if n & 1:
            res *= a
        n >>= 1
        a *= a
    return res


def getPi(n):
    getcontext().prec = 22000
    # 使用BBP公式，n即是π的精度，故精度为22000位
    result = (Decimal(4) / Decimal(8 * n + 1) - Decimal(2) / Decimal(8 * n + 4) - Decimal(1) / Decimal(
        8 * n + 5) - Decimal(1) / Decimal(8 * n + 6)) / Decimal(getPow(16, n))
    return result


if __name__ == '__main__':
    getcontext().prec = 22000
    start = time.time()
    params = [i for i in range(22000)]
    # 进程池，最大工作数设置为4
    pool = ProcessPoolExecutor(max_workers=4)
    results = list(pool.map(getPi, params))
    end = time.time()
    print(end - start)
    pi = Decimal(0)
    for r in results:
        pi += r
    # print(pi)
    with open('pi.txt', 'w')as f:
        f.write(str(pi))

Como puede ver, el código está escrito en Python, usando el grupo de procesos y la clase Decimal de números grandes. La razón para usar el decimal es almacenar el valor después del punto decimal. Sin embargo, el lector también puede usar la clase de números enteros grandes. en su lugar, pero entre Si tiene un paquete listo para usar, simplemente llámelo, lo que ahorra tiempo de desarrollo.
Algunas personas pueden preguntar por qué tiene que escribir una función getPow usted mismo en lugar de llamar a pow en la biblioteca matemática. Aquí, preste atención a los datos de punto flotante devueltos por pow. Python viene con enteros largos, pero los números de punto flotante no tienen esto, y se ha cambiado a matemáticas. ¡El programa .pow reportará un error!
Lo que es más notable es que la mayoría de las personas que implementan la potenciación escribirán así:

def getPow(n,e):
	res = 1
	for i in range(e):
		res*=n
	return res

La desventaja de escribir de esta manera es que la eficiencia es demasiado baja. Repito la operación de multiplicación. Después de aprender algo de algoritmos, decidí mejorar esta función. Además, desde el punto de vista del código, el consumo de tiempo de encontrar π en paralelo también cae sobre el cabezal de operación de potencia. Cuanto más rápido se ejecute la potenciación, más rápido se ejecutará el programa general.
Los hechos han demostrado lo mismo,

Antes de la optimización	Optimizado
20000 bits toman 168 s	153 s que consumen tiempo de 21000 bits
250 s para 21000 bits	175 s que consumen mucho tiempo de 22000 bits

¡Visible la importancia de la optimización de algoritmos! ! !

PD: Python no tiene sentido para la computación con uso intensivo de CPU y el subproceso múltiple. El multiproceso es más compatible. Sin embargo, el intercambio de datos y el intercambio de datos entre múltiples procesos también aumentan la dificultad del desarrollo. La ventaja del algoritmo BBP es que el número de iteraciones y determina la precisión de π. En este caso, se obtienen 22,000 dígitos en tres minutos. Estos 22,000 dígitos son consistentes con el valor real de π. Consulte Cómo usar el BBP fórmula para calcular directamente los primeros π n bits .

Tres, visualización de resultados de cálculo

3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982148086513282306647093844609550582231725359408128481117450284102701938521105559644622948954930381964428810975665933446128475648233786783165271201909145648566923460348610454326648213393607260249141273724587006606315588174881520920962829254091715364367892590360011330530548820466521384146951941511609433057270365759591953092186117381932611793105118548074462379962749567351885752724891227938183011949129833673362440656643086021394946395224737190702179860943702770539217176293176752384674818467669405132000568127145263560827785771342757789609173637178721468440901224953430146549585371050792279689258923542019956112129021960864034418159813629774771309960518707211349999998372978049951059731732816096318595024459455346908302642522308253344685035261931188171010003137838752886587533208381420617177669147303598253490428755468731159562863882353787593751957781857780532171226806613001927876611195909216420198938095257201065485863278865936153381827968230301952035301852968995773622599413891249721775283479131515574857242454150695950829533116861727855889075098381754637464939319255060400927701671139009848824012858361603563707660104710181942955596198946767837449448255379774726847104047534646208046684259069491293313677028989152104752162056966024058038150193511253382430035587640247496473263914199272604269922796782354781636009341721641219924586315030286182974555706749838505494588586926995690927210797509302955321165344987202755960236480665499119881834797753566369807426542527862551818417574672890977772793800081647060016145249192173217214772350141441973568548161361157352552133475741849468438523323907394143334547762416862518983569485562099219222184272550254256887671790494601653466804988627232791786085784383827967976681454100953883786360950680064225125205117392984896084128488626945604241965285022210661186306744278622039194945047123713786960956364371917287467764657573962413890865832645995813390478027590099465764078951269468398352595709825822620522489407726719478268482601476990902640136394437455305068203496252451749399651431429809190659250937221696461515709858387410597885959772975498930161753928468138268683868942774155991855925245953959431049972524680845987273644695848653836736222626099124608051243884390451244136549762780797715691435997700129616089441694868555848406353422072225828488648158456028506016842739452267467678895252138522549954666727823986456596116354886230577456498035593634568174324112515076069479451096596094025228879710893145669136867228748940560101503308617928680920874760917824938589009714909675985261365549781893129784821682998948722658804857564014270477555132379641451523746234364542858444795265867821051141354735739523113427166102135969536231442952484937187110145765403590279934403742007310578539062198387447808478489683321445713868751943506430218453191048481005370614680674919278191197939952061419663428754440643745123718192179998391015919561814675142691239748940907186494231961567945208095146550225231603881930142093762137855956638937787083039069792077346722182562599661501421503068038447734549202605414665925201497442850732518666002132434088190710486331734649651453905796268561005508106658796998163574736384052571459102897064140110971206280439039759515677157700420337869936007230558763176359421873125147120532928191826186125867321579198414848829164470609575270695722091756711672291098169091528017350671274858322287183520935396572512108357915136988209144421006751033467110314126711136990865851639831501970165151168517143765761835155650884909989859982387345528331635507647918535893226185489632132933089857064204675259070915481416549859461637180270981994309924488957571282890592323326097299712084433573265489382391193259746366730583604142813883032038249037589852437441702913276561809377344403070746921120191302033038019762110110044929321516084244485963766983895228684783123552658213144957685726243344189303968642624341077322697802807318915441101044682325271620105265227211166039666557309254711055785376346682065310989652691862056476931257058635662018558100729360659876486117910453348850346113657686753249441668039626579787718556084552965412665408530614344431858676975145661406800700237877659134401712749470420562230538994561314071127000407854733269939081454664645880797270826683063432858785698305235808933065757406795457163775254202114955761581400250126228594130216471550979259230990796547376125517656751357517829666454779174501129961489030463994713296210734043751895735961458901938971311179042978285647503203198691514028708085990480109412147221317947647772622414254854540332157185306142288137585043063321751829798662237172159160771669254748738986654949450114654062843366393790039769265672146385306736096571209180763832716641627488880078692560290228472104031721186082041900042296617119637792133757511495950156604963186294726547364252308177036751590673502350728354056704038674351362222477158915049530984448933309634087807693259939780541934144737744184263129860809988868741326047215695162396586457302163159819319516735381297416772947867242292465436680098067692823828068996400482435403701416314965897940924323789690706977942236250822168895738379862300159377647165122893578601588161755782973523344604281512627203734314653197777416031990665541876397929334419521541341899485444734567383162499341913181480927777103863877343177207545654532207770921201905166096280490926360197598828161332316663652861932668633606273567630354477628035045077723554710585954870279081435624014517180624643626794561275318134078330336254232783944975382437205835311477119926063813346776879695970309833913077109870408591337464144282277263465947047458784778720192771528073176790770715721344473060570073349243693113835049316312840425121925651798069411352801314701304781643788518529092854520116583934196562134914341595625865865570552690496520985803385072242648293972858478316305777756068887644624824685792603953527734803048029005876075825104747091643961362676044925627420420832085661190625454337213153595845068772460290161876679524061634252257719542916299193064553779914037340432875262888963995879475729174642635745525407909145135711136941091193932519107602082520261879853188770584297259167781314969900901921169717372784768472686084900337702424291651300500516832336435038951702989392233451722013812806965011784408745196012122859937162313017114448464090389064495444006198690754851602632750529834918740786680881833851022833450850486082503930213321971551843063545500766828294930413776552793975175461395398468339363830474611996653858153842056853386218672523340283087112328278921250771262946322956398989893582116745627010218356462201349671518819097303811980049734072396103685406643193950979019069963955245300545058068550195673022921913933918568034490398205955100226353536192041994745538593810234395544959778377902374216172711172364343543947822181852862408514006660443325888569867054315470696574745855033232334210730154594051655379068662733379958511562578432298827372319898757141595781119635833005940873068121602876496286744604774649159950549737425626901049037781986835938146574126804925648798556145372347867330390468838343634655379498641927056387293174872332083760112302991136793862708943879936201629515413371424892830722012690147546684765357616477379467520049075715552781965362132392640616013635815590742202020318727760527721900556148425551879253034351398442532234157623361064250639049750086562710953591946589751413103482276930624743536325691607815478181152843667957061108615331504452127473924544945423682886061340841486377670096120715124914043027253860764823634143346235189757664521641376796903149501910857598442391986291642193994907236234646844117394032659184044378051333894525742399508296591228508555821572503107125701266830240292952522011872676756220415420516184163484756516999811614101002996078386909291603028840026910414079288621507842451670908700069928212066041837180653556725253256753286129104248776182582976515795984703562226293486003415872298053498965022629174878820273420922224533985626476691490556284250391275771028402799806636582548892648802545661017296702664076559042909945681506526530537182941270336931378517860904070866711496558343434769338578171138645587367812301458768712660348913909562009939361031029161615288138437909904231747336394804575931493140529763475748119356709110137751721008031559024853090669203767192203322909433467685142214477379393751703443661991040337511173547191855046449026365512816228824462575916333039107225383742182140883508657391771509682887478265699599574490661758344137522397096834080053559849175417381883999446974867626551658276584835884531427756879002909517028352971634456212964043523117600665101241200659755851276178583829204197484423608007193045761893234922927965019875187212726750798125547095890455635792122103334669749923563025494780249011419521238281530911407907386025152274299581807247162591668545133312394804947079119153267343028244186041426363954800044800267049624820179289647669758318327131425170296923488962766844032326092752496035799646925650493681836090032380929345958897069536534940603402166544375589004563288225054525564056448246515187547119621844396582533754388569094113031509526179378002974120766514793942590298969594699556576121865619673378623625612521632086286922210327488921865436480229678070576561514463204692790682120738837781423356282360896320806822246801224826117718589638140918390367367222088832151375560037279839400415297002878307667094447456013455641725437090697939612257142989467154357846878861444581231459357198492252847160504922124247014121478057345510500801908699603302763478708108175450119307141223390866393833952942578690507643100638351983438934159613185434754649556978103829309716465143840700707360411237359984345225161050702705623526601276484830840761183013052793205427462865403603674532865105706587488225698157936789766974220575059683440869735020141020672358502007245225632651341055924019027421624843914035998953539459094407046912091409387001264560016237428802109276457931065792295524988727584610126483699989225695968815920560010165525637567856672279661988578279484885583439751874454551296563443480396642055798293680435220277098429423253302257634180703947699415979159453006975214829336655566156787364005366656416547321704390352132954352916941459904160875320186837937023488868947915107163785290234529244077365949563051007421087142613497459561513849871375704710178795731042296906667021449863746459528082436944578977233004876476524133907592043401963403911473202338071509522201068256342747164602433544005152126693249341967397704159568375355516673027390074972973635496453328886984406119649616277344951827369558822075735517665158985519098666539354948106887320685990754079234240230092590070173196036225475647894064754834664776041146323390565134330684495397907090302346046147096169688688501408347040546074295869913829668246818571031887906528703665083243197440477185567893482308943106828702722809736248093996270607472645539925399442808113736943388729406307926159599546262462970706259484556903471197299640908941805953439325123623550813494900436427852713831591256898929519642728757394691427253436694153236100453730488198551706594121735246258954873016760029886592578662856124966552353382942878542534048308330701653722856355915253478445981831341129001999205981352205117336585640782648494276441137639386692480311836445369858917544264739988228462184490087776977631279572267265556259628254276531830013407092233436577916012809317940171859859993384923549564005709955856113498025249906698423301735035804408116855265311709957089942732870925848789443646005041089226691783525870785951298344172953519537885534573742608590290817651557803905946408735061232261120093731080485485263572282576820341605048466277504500312620080079980492548534694146977516493270950493463938243222718851597405470214828971117779237612257887347718819682546298126868581705074027255026332904497627789442362167411918626943965067151577958675648239939176042601763387045499017614364120469218237076488783419689686118155815873606293860381017121585527266830082383404656475880405138080163363887421637140643549556186896411228214075330265510042410489678352858829024367090488711819090949453314421828766181031007354770549815968077200947469613436092861484941785017180779306810854690009445899527942439813921350558642219648349151263901280383200109773868066287792397180146134324457264009737425700735921003154150893679300816998053652027600727749674584002836240534603726341655425902760183484030681138185510597970566400750942608788573579603732451414678670368809880609716425849759513806930944940151542222194329130217391253835591503100333032511174915696917450271494331515588540392216409722910112903552181576282328318234254832611191280092825256190205263016391147724733148573910777587442538761174657867116941477642144111126358355387136101102326798775641024682403226483464176636980663785768134920453022408197278564719839630878154322116691224641591177673225326433568614618654522268126887268445968442416107854016768142080885028005414361314623082102594173756238994207571362751674573189189456283525704413354375857534269869947254703165661399199968262824727064133622217892390317608542894373393561889165125042440400895271983787386480584726895462438823437517885201439560057104811949884239060613695734231559079670346149143447886360410318235073650277859089757827273130504889398900992391350337325085598265586708924261242947367019390772713070686917092646254842324074855036608013604668951184009366860954632500214585293095000090715105823626729326453738210493872499669933942468551648326113414611068026744663733437534076429402668297386522093570162638464852851490362932019919968828517183953669134522244470804592396602817156551565666111359823112250628905854914509715755390024393153519090210711945730024388017661503527086260253788179751947806101371500448991721002220133501310601639154158957803711779277522597874289191791552241718958536168059474123419339842021874564925644346239253195313510331147639491199507285843065836193536932969928983791494193940608572486396883690326556436421664425760791471086998431573374964883529276932822076294728238153740996154559879825989109371712621828302584811238901196822142945766758071865380650648702613389282299497257453033283896381843944770779402284359883410035838542389735424395647555684095224844554139239410001620769363684677641301781965937997155746854194633489374843912974239143365936041003523437770658886778113949861647874714079326385873862473288964564359877466763847946650407411182565837887845485814896296127399841344272608606187245545236064315371011274680977870446409475828034876975894832824123929296058294861919667091895808983320121031843034012849511620353428014412761728583024355983003204202451207287253558119584014918096925339507577840006746552603144616705082768277222353419110263416315714740612385042584598841990761128725805911393568960143166828317632356732541707342081733223046298799280490851409479036887868789493054695570307261900950207643349335910602454508645362893545686295853131533718386826561786227363716975774183023986006591481616404944965011732131389574706208847480236537103115089842799275442685327797431139514357417221975979935968525228574526379628961269157235798662057340837576687388426640599099350500081337543245463596750484423528487470144354541957625847356421619813407346854111766883118654489377697956651727966232671481033864391375186594673002443450054499539974237232871249483470604406347160632583064982979551010954183623503030945309733583446283947630477564501500850757894954893139394489921612552559770143685894358587752637962559708167764380012543650237141278346792610199558522471722017772370041780841942394872540680155603599839054898572354674564239058585021671903139526294455439131663134530893906204678438778505423939052473136201294769187497519101147231528932677253391814660730008902776896311481090220972452075916729700785058071718638105496797310016787085069420709223290807038326345345203802786099055690013413718236837099194951648960075504934126787643674638490206396401976668559233565463913836318574569814719621084108096188460545603903845534372914144651347494078488442377217515433426030669883176833100113310869042193903108014378433415137092435301367763108491351615642269847507430329716746964066653152703532546711266752246055119958183196376370761799191920357958200759560530234626775794393630746305690108011494271410093913691381072581378135789400559950018354251184172136055727522103526803735726527922417373605751127887218190844900617801388971077082293100279766593583875890939568814856026322439372656247277603789081445883785501970284377936240782505270487581647032458129087839523245323789602984166922548964971560698119218658492677040395648127810217991321741630581055459880130048456299765112124153637451500563507012781592671424134210330156616535602473380784302865525722275304999883701534879300806260180962381516136690334111138653851091936739383522934588832255088706450753947395204396807906708680644509698654880168287434378612645381583428075306184548590379821799459968115441974253634439960290251001588827216474500682070419376158454712318346007262933955054823955713725684023226821301247679452264482091023564775272308208106351889915269288910845557112660396503439789627825001611015323516051965590421184494990778999200732947690586857787872098290135295661397888486050978608595701773129815531495168146717695976099421003618355913877781769845875810446628399880600616229848616935337386578773598336161338413385368421197893890018529569196780455448285848370117096721253533875862158231013310387766827211572694951817958975469399264219791552338576623167627547570354699414892904130186386119439196283887054367774322427680913236544948536676800000106526248547305586159899914017076983854831887501429389089950685453076511680333732226517566220752695179144225280816517166776672793035485154204023817460892328391703275425750867655117859395002793389592057668278967764453184040418554010435134838953120132637836928358082719378312654961745997056745071833206503455664403449045362756001125018433560736122276594927839370647842645676338818807565612168960504161139039063960162022153684941092605387688714837989559999112099164646441191856827700457424343402167227644558933012778158686952506949936461017568506016714535431581480105458860564550133203758645485840324029871709348091055621167154684847780394475697980426318099175642280987399876697323769573701580806822904599212366168902596273043067931653114940176473769387351409336183321614280214976339918983548487562529875242387307755955595546519639440182184099841248982623673771467226061633643296406335728107078875816404381485018841143188598827694490119321296827158884133869434682859006664080631407775772570563072940049294030242049841656547973670548558044586572022763784046682337985282710578431975354179501134727362577408021347682604502285157979579764746702284099956160156910890384582450267926594205550395879229818526480070683765041836562094555434613513415257006597488191634135955671964965403218727160264859304903978748958906612725079482827693895352175362185079629778514618843271922322381015874445052866523802253284389137527384589238442253547265309817157844783421582232702069028723233005386216347988509469547200479523112015043293226628272763217790884008786148022147537657810581970222630971749507212724847947816957296142365859578209083073323356034846531873029302665964501371837542889755797144992465403868179921389346924474198509733462679332107268687076806263991936196504409954216762784091466985692571507431574079380532392523947755744159184582156251819215523370960748332923492103451462643744980559610330799414534778457469999212859999939961228161521931488876938802228108300198601654941654261696858678837260958774567618250727599295089318052187292461086763995891614585505839727420980909781729323930106766386824040111304024700735085782872462713494636853181546969046696869392547251941399291465242385776255004748529547681479546700705034799958886769501612497228204030399546327883069597624936151010243655535223069061294938859901573466102371223547891129254769617600504797492806072126803922691102777226102544149221576504508120677173571202718024296810620377657883716690910941807448781404907551782038565390991047759414132154328440625030180275716965082096427348414695726397884256008453121406593580904127113592004197598513625479616063228873618136737324450607924411763997597461938358457491598809766744709300654634242346063423747466608043170126005205592849369594143408146852981505394717890045183575515412522359059068726487863575254191128887737176637486027660634960353679470269232297186832771739323619200777452212624751869833495151019864269887847171939664976907082521742336566272592844062043021411371992278526998469884770232382384005565551788908766136013047709843861168705231055314916251728373272867600724817298763756981633541507460883866364069347043720668865127568826614973078865701568501691864748854167915459650723428773069985371390430026653078398776385032381821553559732353068604301067576083890862704984188859513809103042359578249514398859011318583584066747237029714978508414585308578133915627076035639076394731145549583226694570249413983163433237897595568085683629725386791327505554252449194358912840504522695381217913191451350099384631177401797151228378546011603595540286440590249646693070776905548102885020808580087811577381719174177601733073855475800605601433774329901272867725304318251975791679296996504146070664571258883469797964293162296552016879730003564630457930884032748077181155533090988702550520768046303460865816539487695196004408482065967379473168086415645650530049881616490578831154345485052660069823093157776500378070466126470602145750579327096204782561524714591896522360839664562410519551052235723973951288181640597859142791481654263289200428160913693777372229998332708208296995573772737566761552711392258805520189887620114168005468736558063347160373429170390798639652296131280178267971728982293607028806908776866059325274637840539769184808204102194471971386925608416245112398062011318454124478205011079876071715568315407886543904121087303240201068534194723047666672174986986854707678120512473679247919315085644477537985379973223445612278584329684664751333657369238720146472367938