再次介绍Into包:整洁地数据迁移

动机

我们花费大量的时间将数据从普通的交换格式(比如CSV),迁移到像数组、数据库或者二进制存储等高效的计算格式。更糟糕的是,许多人没有将数据迁移到高效的格式,因为他们不知道怎么(或者不能)为他们的工具管理特定的迁移方法。

你所选择的数据格式很重要,它会强烈地影响程序性能(经验规律表明会有10倍的差距),以及那些轻易使用和理解你数据的人。

当提倡Blaze项目时,我经常说:“Blaze能帮助你查询各种格式的数据。”这实际上是假设你能够将数据转换成指定的格式。

进入into项目

into函数能在各种数据格式之间高效的迁移数据。这里的数据格式既包括内存中的数据结构,比如:

列表、集合、元组、迭代器、numpy中的ndarray、pandas中的DataFrame、dynd中的array,以及上述各类的流式序列。

也包括存在于Python程序之外的持久化数据,比如:

CSV、JSON、行定界的JSON,以及以上各类的远程版本

HDF5 (标准格式与Pandas格式皆可)、 BColz、 SAS、 SQL 数据库 ( SQLAlchemy支持的皆可)、 Mongo

into项目能在上述数据格式的任意两个格式之间高效的迁移数据,其原理是利用一个成对转换的网络(该文章底部有直观的解释)。

如何使用它

into函数有两个参数:source和target。它将数据从source转换成target。source和target能够使用如下的格式:

Target     Source     Example

Object    Object      A particular DataFrame or list

String     String      ‘file.csv’, ‘postgresql://hostname::tablename’

Type                   Like list or pd.DataFrame

所以,下边是对into函数的合法调用:

Note that into is a single function. We’re used to doing this with various to_csv, from_sql methods on various types. The into api is very small; Here is what you need in order to get started:

注意,into函数是一个单一的函数。虽然我们习惯于在各种类型上使用to_csv, from_sql等方法来完成这样的功能,但接口into非常简单。开始使用into函数前,你需要:

在Github上查看into工程

实例

现在我们展示一些更深层次的相同的实例。

将Python中的list类型转换成numpy中的array类型

加载CSV文件,并转换成Python中的list类型

将CSV文件转换成JSON格式

将行定界的JSON格式转换成Pandas中的DataFrame格式

 它是如何工作的?

格式转换是有挑战性的。任意两个数据格式之间的健壮、高效的格式转换,都充满了特殊情况和奇怪的库。常见的解决方案是通过一个通用格式,例如DataFrame或流内存列表、字典等,进行格式转换。(见dat)或者通过序列化格式,例如ProtoBufThrift,进行格式转换。这些都是很好的选择,往往也是你想要的。然而有时候这样的转换是比较慢的,特别是当你在实时计算系统上转换,或面对苛刻的存储解决方案时。

 

考虑一个例子,在numpy.recarray和pandas.DataFrame之间进行数据迁移。我们可以非常快速地,适当地迁移这些数据。数据的字节不需要更改,只更改其周围的元数据即可。我们不需要将数据序列化到一个交换格式,或转换为中间的纯Python对象。

考虑从CSV文件迁移数据到一个PostgreSQL数据库。通过SQLAlchemy(注:一个Python环境下的数据库工具箱)使用Python迭代器,我们的迁移速度不太可能超过每秒2000条记录。然而使用PostgreSQL自带的CSV加载器,我们的迁移速度可以超过每秒50000条记录。花费一整晚的时间和花费一杯咖啡的时间进行数据迁移,是有很大区别的。然而这需要我们在特殊情况下,能足够灵活的使用特殊代码。

专门的两两互换工具往往比通用解决方案快一个数量级。

Into项目是那些成对地数据迁移组成的一个网络。我们利用下图展示这个网络:

 

每个节点是一种数据格式。每个定向的边是一个在两种数据格式之间转换数据的函数。into函数的一个调用,可能会遍历多个边和多个中间格式。例如,当我们将CSV文件迁移到Mongo数据库时,我们可以采取以下路径:

•将CSV文件加载到DataFrame中(利用pandas.read_csv)

•然后转换为np.recarray(利用DataFrame.to_records)

•接着转换为一个Python的迭代器类型(利用np.ndarray.tolist)

•最终转换成Mongo中的数据(利用pymongo.Collection.insert)

或者我们可以使用MongoDB自带的CSV加载器,编写一个特殊函数,用一个从CSV到Mongo的定向边缩短整个处理过程。

为了找到最有效的路线,我们利用相对成本(引入权重的ad-hoc)给这个网络的所有边赋予权重值。然后我们使用networkx找到最短路径,进而进行数据迁移。如果某个边由于某种原因失败了(引发NotImplementedError),我们可以自动重新寻找路径。这样我们的迁移方法是既高效又健壮的。

注意,我们给某些节点涂上红色。这些节点的数据量可以大于内存。当我们在两个红色节点之间进行数据迁移时(输入和输出的数据量都可能大于内存),我们限制我们的路径始终在红色子图中,以确保迁移路径中间的数据不会溢出。需要注意的一种格式是chunks(…),例如chunks(DataFrame)是一个可迭代的,在内存中的DataFrames。这个方便的元格式允许我们在大数据上使用紧凑的数据结构,例如numpy的arrays和pandas的DataFrames,同时保持在内存中数据的只有几十兆字节。

这种网络化的方法允许开发者对于特殊情况编写专门的代码,同时确信这段代码只在正确的情况下使用。这种方法允许我们利用一个独立的、可分离的方式处理一个非常复杂的问题。中央调度系统让我们保持头脑清醒。

历史

很久以前,我写过into链接到Blaze的文章,然后我立即就沉默了。这是因为旧的实现方法(网络方法之前)很难扩展或维护,也没有准备好进入其黄金期。

我很满意这个网络。意想不到的应用程序经常能够正常运行,into工程现在也准备好进入其黄金期了。Into工程可以通过conda和pip得到,而独立于Blaze。它主要的依赖为NumPy、Pandas和NetworkX,所以对于阅读我博客的大部分人来说,它算是相对轻量级的。如果你想利用一些性能更好的格式,例如HDF5,你将同样需要安装这些库(pro-tip,使用conda安装)。

如何开始使用into函数

你应该下载一个最近版本的into工程。

然后你可能想要通过该教程的上半部分,或者阅读该文档

又或者不阅读任何东西,只是试一试。我的希望是,这个接口很简单(只有一个函数!),用户可以自然地使用它。如果你运行中出现了问题,那么我很愿意在blaze-dev@continuum.io中听到它们。

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关于作者:笑虎

Python爱好者,关注爬虫、数据分析挖掘、数据可视化等 个人主页 · 我的文章 · 29

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