Pythonはスクリプト言語です。C/C++などのコンパイル型言語と比較すると、効率とパフォーマンスの点でいくつかの欠点があります。ただし、多くの場合、Pythonの効率は想像したほど誇張されていません。この記事では、Pythonコードを高速化するためのヒントをいくつか紹介します。
0.コード最適化の原則
この記事では、Pythonコードの実行を高速化するための多くの手法を紹介します。コード最適化の詳細に飛び込む前に、コード最適化のいくつかの基本原則を理解する必要があります。
最初の基本原則は、時期尚早に最適化しないことです。多くの人は、パフォーマンスの最適化を目的としてコードを作成します。「高速なプログラムを正しく作成するよりも、適切なプログラムを高速化する方がはるかに簡単です」。したがって、最適化の前提は、コードが正しく機能することです。時期尚早の最適化は、全体的なパフォーマンスメトリックの把握を無視する可能性があり、グローバルな結果が得られるまで優先順位を逆にしないでください。
2番目の基本原則は、最適化のコストを比較検討することです。最適化にはコストがかかり、すべてのパフォーマンスの問題を解決することはほぼ不可能です。しばしば直面する選択は、空間のための時間または時間のための空間です。また、開発費も考慮する必要があります。
3番目の原則は、関係のない部分を最適化しないことです。コードのすべての部分が最適化されている場合、これらの変更により、コードの読み取りと理解が困難になる可能性があります。コードが遅い場合は、最初にコードが遅い場所（通常は内部ループ）を見つけて、最適化するために遅い場所に焦点を合わせます。他の場所では、少しの時間の損失はほとんど違いがありません。
1.グローバル変数を避ける
# 不推荐写法。代码耗时：26.8秒
import math
size = 10000
for x in range(size):
for y in range(size):
z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)
复制代码多くのプログラマーは、最初はPython言語でいくつかの簡単なスクリプトを作成します。スクリプトを作成するときは、通常、上記のコードのように、グローバル変数として直接スクリプトを作成するために使用されます。ただし、グローバル変数とローカル変数の実装が異なるため、グローバルスコープで定義されたコードは、関数で定義されたコードよりも実行速度が大幅に低下します。スクリプトステートメントを関数に入れることにより、通常15％〜30％のスピードアップがあります。
# 推荐写法。代码耗时：20.6秒
import math
def main(): # 定义到函数中，以减少全部变量使用
size = 10000
for x in range(size):
for y in range(size):
z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)
main()
复制代码2.避けてください。
2.1モジュールと関数の属性アクセスを避ける
# 不推荐写法。代码耗时：14.5秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
for i in range(size):
result.append(math.sqrt(i))
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()
复制代码。（属性アクセス演算子）を使用するたびに、__ getattribute __（）や__getattr __（）などの特定のメソッドがトリガーされ、ディクショナリ操作が実行されるため、追加の時間オーバーヘッドが発生します。from importステートメントを使用すると、属性アクセスを排除できます。
# 第一次优化写法。代码耗时：10.9秒
from math import sqrt
def computeSqrt(size: int):
result = []
for i in range(size):
result.append(sqrt(i)) # 避免math.sqrt的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()
复制代码在第 1 节中我们讲到，局部变量的查找会比全局变量更快，因此对于频繁访问的变量sqrt，通过将其改为局部变量可以加速运行。
# 第二次优化写法。代码耗时：9.9秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
sqrt = math.sqrt # 赋值给局部变量
for i in range(size):
result.append(sqrt(i)) # 避免math.sqrt的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()
复制代码除了math.sqrt外，computeSqrt函数中还有.的存在，那就是调用list的append方法。通过将该方法赋值给一个局部变量，可以彻底消除computeSqrt函数中for循环内部的.使用。
# 推荐写法。代码耗时：7.9秒
import math
def computeSqrt(size: int):
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt # 赋值给局部变量
for i in range(size):
append(sqrt(i)) # 避免 result.append 和 math.sqrt 的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
result = computeSqrt(size)
main()
复制代码2.2 避免类内属性访问
# 不推荐写法。代码耗时：10.4秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self._value = value
def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt
for _ in range(size):
append(sqrt(self._value))
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
result = demo_instance.computeSqrt(size)
main()
复制代码避免.的原则也适用于类内属性，访问self._value的速度会比访问一个局部变量更慢一些。通过将需要频繁访问的类内属性赋值给一个局部变量，可以提升代码运行速度。
# 推荐写法。代码耗时：8.0秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self._value = value
def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
result = []
append = result.append
sqrt = math.sqrt
value = self._value
for _ in range(size):
append(sqrt(value)) # 避免 self._value 的使用
return result
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
demo_instance.computeSqrt(size)
main()
复制代码3. 避免不必要的抽象
# 不推荐写法，代码耗时：0.55秒
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self.value = value
@property
def value(self) -> int:
return self._value
@value.setter
def value(self, x: int):
self._value = x
def main():
size = 1000000
for i in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
value = demo_instance.value
demo_instance.value = i
main()
复制代码任何时候当你使用额外的处理层（比如装饰器、属性访问、描述器）去包装代码时，都会让代码变慢。大部分情况下，需要重新进行审视使用属性访问器的定义是否有必要，使用getter/setter函数对属性进行访问通常是 C/C++ 程序员遗留下来的代码风格。如果真的没有必要，就使用简单属性。
# 推荐写法，代码耗时：0.33秒
class DemoClass:
def __init__(self, value: int):
self.value = value # 避免不必要的属性访问器
def main():
size = 1000000
for i in range(size):
demo_instance = DemoClass(size)
value = demo_instance.value
demo_instance.value = i
main()
复制代码4. 避免数据复制
4.1 避免无意义的数据复制
# 不推荐写法，代码耗时：6.5秒
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
value = range(size)
value_list = [x for x in value]
square_list = [x * x for x in value_list]
main()
复制代码上面的代码中value_list完全没有必要，这会创建不必要的数据结构或复制。
# 推荐写法，代码耗时：4.8秒
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
value = range(size)
square_list = [x * x for x in value] # 避免无意义的复制
main()
复制代码另外一种情况是对 Python 的数据共享机制过于偏执，并没有很好地理解或信任 Python 的内存模型，滥用 copy.deepcopy()之类的函数。通常在这些代码中是可以去掉复制操作的。
4.2 交换值时不使用中间变量
# 不推荐写法，代码耗时：0.07秒
def main():
size = 1000000
for _ in range(size):
a = 3
b = 5
temp = a
a = b
b = temp
main()
复制代码上面的代码在交换值时创建了一个临时变量temp，如果不借助中间变量，代码更为简洁、且运行速度更快。
# 推荐写法，代码耗时：0.06秒
def main():
size = 1000000
for _ in range(size):
a = 3
b = 5
a, b = b, a # 不借助中间变量
main()
复制代码4.3 字符串拼接用join而不是+
# 不推荐写法，代码耗时：2.6秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
result = ''
for str_i in string_list:
result += str_i
return result
def main():
string_list = list(string.ascii_letters * 100)
for _ in range(10000):
result = concatString(string_list)
main()
复制代码当使用a + b拼接字符串时，由于 Python 中字符串是不可变对象，其会申请一块内存空间，将a和b分别复制到该新申请的内存空间中。因此，如果要拼接 n 个字符串，会产生 n-1 个中间结果，每产生一个中间结果都需要申请和复制一次内存，严重影响运行效率。而使用join()拼接字符串时，会首先计算出需要申请的总的内存空间，然后一次性地申请所需内存，并将每个字符串元素复制到该内存中去。
# 推荐写法，代码耗时：0.3秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
return ''.join(string_list) # 使用 join 而不是 +
def main():
string_list = list(string.ascii_letters * 100)
for _ in range(10000):
result = concatString(string_list)
main()
复制代码5. 利用if条件的短路特性
# 不推荐写法，代码耗时：0.05秒
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
abbr_count = 0
result = ''
for str_i in string_list:
if str_i in abbreviations:
result += str_i
return result
def main():
for _ in range(10000):
string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
result = concatString(string_list)
main()
复制代码if 条件的短路特性是指对if a and b这样的语句， 当a为False时将直接返回，不再计算b；对于if a or b这样的语句，当a为True时将直接返回，不再计算b。因此， 为了节约运行时间，对于or语句，应该将值为True可能性比较高的变量写在or前，而and应该推后。
# 推荐写法，代码耗时：0.03秒
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
abbr_count = 0
result = ''
for str_i in string_list:
if str_i[-1] == '.' and str_i in abbreviations: # 利用 if 条件的短路特性
result += str_i
return result
def main():
for _ in range(10000):
string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
result = concatString(string_list)
main()
复制代码6. 循环优化
6.1 用for循环代替while循环
# 不推荐写法。代码耗时：6.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
sum_ = 0
i = 0
while i < size:
sum_ += i
i += 1
return sum_
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum_ = computeSum(size)
main()
复制代码Python 的for循环比while循环快不少。
# 推荐写法。代码耗时：4.3秒
def computeSum(size: int) -> int:
sum_ = 0
for i in range(size): # for 循环代替 while 循环
sum_ += i
return sum_
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum_ = computeSum(size)
main()
复制代码6.2 使用隐式for循环代替显式for循环
针对上面的例子，更进一步可以用隐式for循环来替代显式for循环
# 推荐写法。代码耗时：1.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
return sum(range(size)) # 隐式 for 循环代替显式 for 循环
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum = computeSum(size)
main()
复制代码6.3 减少内层for循环的计算
# 不推荐写法。代码耗时：12.8秒
import math
def main():
size = 10000
sqrt = math.sqrt
for x in range(size):
for y in range(size):
z = sqrt(x) + sqrt(y)
main()
复制代码上面的代码中sqrt(x)位于内侧for循环， 每次训练过程中都会重新计算一次，增加了时间开销。
# 推荐写法。代码耗时：7.0秒
import math
def main():
size = 10000
sqrt = math.sqrt
for x in range(size):
sqrt_x = sqrt(x) # 减少内层 for 循环的计算
for y in range(size):
z = sqrt_x + sqrt(y)
main()
复制代码7. 使用numba.jit
我们沿用上面介绍过的例子，在此基础上使用numba.jit。numba可以将 Python 函数 JIT 编译为机器码执行，大大提高代码运行速度。关于numba的更多信息见下面的主页：numba.pydata.org/numba...
# 推荐写法。代码耗时：0.62秒
import numba
@numba.jit
def computeSum(size: float) -> int:
sum = 0
for i in range(size):
sum += i
return sum
def main():
size = 10000
for _ in range(size):
sum = computeSum(size)
main()
复制代码8. 选择合适的数据结构
Python 内置的数据结构如str, tuple, list, set, dict底层都是 C 实现的，速度非常快，自己实现新的数据结构想在性能上达到内置的速度几乎是不可能的。
list类似于 C++ 中的std::vector，是一种动态数组。其会预分配一定内存空间，当预分配的内存空间用完，又继续向其中添加元素时，会申请一块更大的内存空间，然后将原有的所有元素都复制过去，之后销毁之前的内存空间，再插入新元素。
删除元素时操作类似，当已使用内存空间比预分配内存空间的一半还少时，会另外申请一块小内存，做一次元素复制，之后销毁原有大内存空间。
因此，如果有频繁的新增、删除操作，新增、删除的元素数量又很多时，list的效率不高。此时，应该考虑使用collections.deque。collections.deque是双端队列，同时具备栈和队列的特性，能够在两端进行 O(1) 复杂度的插入和删除操作。
list的查找操作也非常耗时。当需要在list频繁查找某些元素，或频繁有序访问这些元素时，可以使用bisect维护list对象有序并在其中进行二分查找，提升查找的效率。
另外一个常见需求是查找极小值或极大值，此时可以使用heapq模块将list转化为一个堆，使得获取最小值的时间复杂度是 O(1)。
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