如何让 Python 像 Julia 一样快地运行

Julia 与 Python 的比较

我是否应丢弃 Python 和其他语言,使用 Julia 执行技术计算?在看到 http://julialang.org/ 上的基准测试后,人们一定会这么想。Python
和其他高级语言在速度上远远有些落后。但是,我想到的第一个问题有所不同:Julia 团队能否以最适合 Python 的方式编写 Python 基准测试?

我对这种跨语言比较的观点是,应该根据要执行的任务来定义基准测试,然后由语言专家编写执行这些任务的最佳代码。如果代码全由一个语言团队编写,则存在其他语言未得到最佳使用的风险。

Julia 团队有一件事做得对,那就是他们将他们使用的代码发布到了 github 上。具体地讲,Python 代码可在此处找到。

第一眼看到该代码,就可以证实我所害怕的偏见。该代码是以 C 风格编写的,在数组和列表上大量使用了循环。这不是使用 Python 的最佳方式。

我不会责怪 Julia 团队,因为我很内疚自己也有同样的偏见。但我受到了残酷的教训:付出任何代价都要避免数组或列表上的循环,因为它们确实会拖慢 Python
中的速度,请参阅 Python 不是 C

考虑到对 C 风格的这种偏见,一个有趣的问题(至少对我而言)是,我们能否改进这些基准测试,更好地使用 Python 及其工具?

在我给出答案之前,我想说我绝不会试图贬低 Julia。在进一步开发和改进后,Julia 无疑是一种值得关注的语言。我只是想分析 Python
方面的事情。实际上,我正在以此为借口来探索各种可用于让代码更快运行的 Python 工具。

在下面的内容中,我使用 Docker 镜像在 Jupyter Notebook 中使用 Python 3.4.3,其中已安装了所有的 Python 科学工具组合。我还会通过
Windows 机器上的 Python 2.7.10,使用 Anaconda 来运行代码。计时是对 Python 3.4.3 执行的。包含下面的所有基准测试的完整代码的 Notebook 可在此处找到。

鉴于各种社交媒体上的评论,我添加了这样一句话:我没有在这里使用 Python 的替代性实现。我没有编写任何 C
代码:如果您不信,可试试寻找分号。本文中使用的所有工具都是 Anaconda 或其他发行版中提供的标准的 Cython 实现。下面的所有代码都在单个 Notebook中运行。

我尝试过使用来自 github 的 Julia 微性能文件,但不能使用 Julia 0.4.2 原封不动地运行它。我必须编辑它并将 @timeit 替换为
@time,它才能运行。在对它们计时之前,我还必须添加对计时函数的调用,否则编译时间也将包含在内。我使用的文件位于此处。我在用于运行 Python 的同一个机器上使用 Julia 命令行接口运行它。

计时代码

Julia 团队使用的第一项基准测试是 Fibonacci 函数的一段简单编码。

此函数的值随 n 的增加而快速增加,例如:

可以注意到,Python 任意精度 (arbitrary precision) 很方便。在 C 等语言中编写相同的函数需要花一些编码工作来避免整数溢出。在 Julia
中,需要使用 BigInt 类型。

所有 Julia 基准测试都与运行时间有关。这是 Julia 中使用和不使用 BigInt 的计时:

在 Python Notebook 中获得运行时间的一种方式是使用神奇的 %timeit。例如,在一个新单元中键入:

执行它会获得输出:

这意味着计时器执行了以下操作:

  1. 运行 fib(20) 100 次,存储总运行时间
  2. 运行 fib(20) 100 次,存储总运行时间
  3. 运行 fib(20) 100 次,存储总运行时间
  4. 从 3 次运行中获取最小的运行时间,将它除以 100,然后输出结果,该结果就是 fib(20) 的最佳运行时间

这些循环的大小(100 次和 3 次)会由计时器自动调整。可能会根据被计时的代码的运行速度来更改循环大小。

Python 计时与使用了 BigInt 时的 Julia 计时相比出色得多:3 毫秒与 12 毫秒。在使用任意精度时,Python 的速度是 Julia 的 4
倍。

但是,Python 比 Julia 默认的 64 位整数要慢。我们看看如何在 Python 中强制使用 64 位整数。

使用 Cython 编译

一种编译方式是使用 Cython 编译器。这个编译器是使用 Python
编写的。它可以通过以下命令安装:

pip install Cython

如果使用 Anaconda,安装会有所不同。因为安装有点复杂,所以我编写了一篇相关的博客文章:将 Cython For Anaconda 安装在 Windows 上

安装后,我们使用神奇的 %load_ext 将 Cython 加载到 Notebook 中:

然后就可以在我们的 Notebook 中编译代码。我们只需要将想要编译的代码放在一个单元中,包括所需的导入语句,使用神奇的 %%cython 启动该单元:

执行该单元会无缝地编译这段代码。我们为该函数使用一个稍微不同的名称,以反映出它是使用 Cython
编译的。当然,一般不需要这么做。我们可以将之前的函数替换为相同名称的已编译函数。

对它计时会得到:

哇,几乎比最初的 Python 代码快 3 倍!我们现在比使用 BigInt 的 Julia 快 100 倍。

我们还可以尝试静态类型。使用关键字 cpdef 而不是 def 来声明该函数。它使我们能够使用相应的 C 类型来键入函数的参数。我们的代码变成了:

执行该单元后,对它计时会得到:

太棒了,我们现在只花费了 36 微秒,比最初的基准测试快约 100 倍!这与 Julia 所花的 80 毫秒相比更出色。

有人可能会说,静态类型违背了 Python
的用途。一般来讲,我比较同意这种说法,我们稍后将查看一种在不牺牲性能的情况下避免这种情形的方法。但我并不认为这是一个问题。Fibonacci
函数必须使用整数来调用。我们在静态类型中失去的是 Python 所提供的任意精度。对于 Fibonacci,使用 C 类型 long
会限制输入参数的大小,因为太大的参数会导致整数溢出。

请注意,Julia 计算也是使用 64 位整数执行的,因此将我们的静态类型版本与 Julia 的对比是公平的。

缓存计算

我们在保留 Python 任意精度的情况下能做得更好。fib 函数重复执行同一种计算许多次。例如,fib(20) 将调用 fib(19) 和
fib(18)。fib(19) 将调用 fib(18) 和 fib(17)。结果 fib(18) 被调用了两次。简单分析表明,fib(17) 将被调用 3
次,fib(16) 将被调用 5 次,等等。

在 Python 3 中,我们可以使用 functools 标准库来避免这些重复的计算。

对此函数计时会得到:

速度又增加了 40 倍,比最初的 Python 代码快约 3,600 倍!考虑到我们仅向递归函数添加了一条注释,此结果非常令人难忘。

Python 2.7 中没有提供这种自动缓存。我们需要显式地转换代码,才能避免这种情况下的重复计算。

请注意,此代码使用了 Python 同时分配两个局部变量的能力。对它计时会得到:

我们又快了 20 倍!让我们在使用和不使用静态类型的情况下编译我们的函数。请注意,我们使用了 cdef 关键字来键入局部变量。

我们可在一个单元中对两个版本计时:

结果为:

静态类型代码现在花费的时间为 51.9 纳秒,比最初的基准测试快约 60,000(六万)倍。

如果我们想计算任意输入的 Fibonacci 数,我们应坚持使用无类型版本,该版本的运行速度快 3,500 倍。还不错,对吧?

使用 Numba 编译

让我们使用另一个名为 Numba 的工具。它是针对部分 Python 版本的一个即时
(jit) 编译器。它不是对所有 Python 版本都适用,但在适用的情况下,它会带来奇迹。

安装它可能很麻烦。推荐使用像 Anaconda 这样的 Python 发行版或一个已安装了 Numba 的 Docker 镜像。完成安装后,我们导入它的 jit 编译器:

它的使用非常简单。我们仅需要向想要编译的函数添加一点修饰。我们的代码变成了:

对它计时会得到:

比无类型的 Cython 代码更快,比最初的 Python 代码快约 16,000 倍!

使用 Numpy

我们现在来看看第二项基准测试。它是快速排序算法的实现。Julia 团队使用了以下 Python 代码:

我将他们的基准测试代码包装在一个函数中:

对它计时会得到:

上述代码与 C 代码非常相似。Cython 应该能很好地处理它。除了使用 Cython 和静态类型之外,让我们使用 Numpy
数组代替列表。在数组大小较大时,比如数千个或更多元素,Numpy 数组确实比
Python 列表更快。

安装 Numpy 可能会花一些时间,推荐使用 Anaconda 或一个已安装了 Python 科学工具组合的 Docker 镜像

在使用 Cython 时,需要将 Numpy 导入到应用了 Cython 的单元中。在使用 C 类型时,还必须使用 cimport 将它作为 C 模块导入。Numpy
数组使用一种表示数组元素类型和数组维数(一维、二维等)的特殊语法来声明。

对 benchmark_qsort_numpy_cython() 函数计时会得到:

我们比最初的基准测试快了约 15 倍,但这仍然不是使用 Python 的最佳方法。最佳方法是使用 Numpy 内置的 sort()
函数。它的默认行为是使用快速排序算法。对此代码计时:

会得到:

我们现在比最初的基准测试快 52 倍!Julia 在该基准测试上花费了 419 微秒,因此编译的 Python 快 20%。

我知道,一些读者会说我不会进行同类比较。我不同意。请记住,我们现在的任务是使用主机语言以最佳的方式排序输入数组。在这种情况下,最佳方法是使用一个内置的函数。

剖析代码

我们现在来看看第三个示例,计算 Mandelbrodt 集。Julia 团队使用了这段 Python 代码:

最后一行是一次合理性检查。对 mandelperf() 函数计时会得到:

使用 Cython 会得到:

还不错,但我们可以使用 Numba 做得更好。不幸的是,Numba 还不会编译列表推导式 (list
comprehension)。因此,我们不能将它应用到第二个函数,但我们可以将它应用到第一个函数。我们的代码类似以下代码。

对它计时会得到:

还不错,比 Cython 快 4 倍,比最初的 Python 代码快 9 倍!

我们还能做得更好吗?要知道是否能做得更好,一种方式是剖析代码。内置的 %prun 剖析器在这里不够精确,我们必须使用一个称为 line_profiler 的更好的剖析器。它可以通过
pip 进行安装:

安装后,我们需要加载它:

然后使用一个神奇的命令剖析该函数:

它在一个弹出窗口中输出以下信息。

我们看到,大部分时间都花费在了 mandelperf_numba() 函数的第一行和最后一行上。最后一行有点复杂,让我们将它分为两部分来再次剖析:

剖析器输出变成:

我们可以看到,对函数 mandel_numba() 的调用仅花费了总时间的 1/4。剩余时间花在 mandelperf_numba()
函数上。花时间优化它是值得的。

 

再次使用 Numpy

使用 Cython 在这里没有太大帮助,而且 Numba 不适用。摆脱此困境的一种方法是再次使用 Numpy。我们将以下代码替换为生成等效结果的 Numpy
代码。

此代码构建了所谓的二维网格。它计算由 r1 和 r2 提供坐标的点的复数表示。点 Pij 的坐标为 r1[i] 和 r2[j]。Pij 通过复数 r1[i] +
1j*r2[j] 进行表示,其中特殊常量 1j 表示单个虚数 i。

我们可以直接编写此计算的代码:

请注意,我将返回值更改为了一个二维整数数组。如果要显示结果,该结果与我们需要的结果更接近。

对它计时会得到:

我们比最初的 Python 代码快约 33 倍!Julia 在该基准测试上花费了 196 微秒,因此编译的 Python 快 40%。

向量化

让我们来看另一个示例。老实地讲,我不确定要度量什么,但这是 Julia 团队使用的代码。

实际上,Julia 团队的代码有一条额外的指令,用于在存在末尾的 ‘L’ 时删除它。我的 Anaconda 安装需要这一行,但我的 Python 3
安装不需要它,所以我删除了它。最初的代码是:

对修改后的代码计时会得到:

Numba 似乎没什么帮助。Cython 代码运行速度快了约 5 倍:

Cython 代码运行速度快了约 5 倍,但这还不足以弥补与 Julia 的差距。

我对此基准测试感到迷惑不解,我剖析了最初的代码。以下是结果:

可以看到,大部分时间都花费在了生成随机数上。我不确定这是不是该基准测试的意图。

加速此测试的一种方式是使用 Numpy 将随机数生成移到循环之外。我们一次性创建一个随机数数组。

对它计时会得到:

还不错,快了 4 倍,接近于 Cython 代码的速度。

拥有数组后,通过循环它来一次向某个元素应用 hex() 和 int() 函数似乎很傻。好消息是,Numpy 提供了一种向数组应用函数的方法,而不必使用循环,该函数是
numpy.vectorize() 函数。此函数接受一次处理一个对象的函数。它返回一个处理数组的新函数。

此代码运行速度更快了一点,几乎像 Cython 代码一样快:

我肯定 Python 专家能够比我在这里做得更好,因为我不太熟悉 Python 解析,但这再一次表明避免 Python 循环是个不错的想法。

结束语

上面介绍了如何加快 Julia 团队所使用的 4 个示例的运行速度。还有 3 个例子:

  • pisum 使用 Numba 的运行速度快 29 倍。
  • randmatstat 使用 Numpy 可将速度提高 2 倍。
  • randmatmul 很简单,没有工具可应用到它之上。

包含所有 7 个示例的完整代码的 Notebook 可在此处获得。

我们在一个表格中总结一下我们的结果。我们给出了在最初的 Python 代码与优化的代码之间实现的加速。我们还给出了对 Julia
团队使用的每个基准测试示例使用的工具。

时间以微秒为单位 Julia Python
优化后的代码
Python 初始代码 Julia / Python 优化后的代码 Numpy Numba Cython
Fibonacci
64 位
80 36 不使用 2.2 X
Fib BigInt 12,717 1,220 3,330 10
快速排序 419 350 18,300 1.2 X
Mandelbrodt 196 140 4,620 1.4 X X
pisum 34,783 35,300 804,000 0.99 X
randmatmul 95,975 137,000 137,000 0.73
parse int 244 617 3,330 0.4 X X
randmatstat 14,544 117,000 230,000 0.12 X

这个表格表明,在前 4 个示例中,优化的 Python 代码比 Julia 更快,后 3 个示例更慢。请注意,为了公平起见,对于
Fibonacci,我使用了递归代码。

我认为这些小型的基准测试没有提供哪种语言最快的明确答案。举例而言,randmatstat 示例处理 5×5 矩阵。使用 Numpy
数组处理它有点小题大做。应该使用更大的矩阵执行基准测试。

我相信,应该在更复杂的代码上对语言执行基准测试。Python 与
Julia 比较–一个来自机器学习的示例
中提供了一个不错的示例。在该文章中,Julia 似乎优于 Cython。如果我有时间,我会使用 Numba
试一下。

无论如何,可以说,在这个小型基准测试上,使用正确的工具时,Python 的性能与 Julia 的性能不相上下。相反地,我们也可以说,Julia 的性能与编译后的
Python 不相上下。考虑到 Julia 不需要对代码进行任何注释或修改,所以这本身就很有趣。

补充说明

我们暂停一会儿。我们已经看到在 Python 代码性能至关重要时,应该使用许多工具:

  • 使用 line_profiler 执行剖析。
  • 编写更好的 Python 代码来避免不必要的计算。
  • 使用向量化的操作和通过 Numpy 来广播。
  • 使用 Cython 或 Numba 编译。

使用这些工具来了解它们在哪些地方很有用。与此同时,请谨慎使用这些工具。分析您的代码,以便可以将精力放在值得优化的地方。重写代码来让它变得更快,有时会让它难以理解或通用性降低。因此,仅在得到的加速物有所值时这么做。Donald
Knuth 曾经恰如其分地提出了这条建议:

“我们在 97% 的时间应该忘记较小的效率:不成熟的优化是万恶之源。”

但是请注意,Knuth 的引语并不意味着优化是不值得的,例如,请查看停止错误地引用 Donald Knuth 的话!‘不成熟的优化是恶魔’的谎言

Python 代码可以优化,而且应该在有意义的时间和位置进行优化。

我们最后给出一个讨论我所使用的工具和其他工具的有趣文章列表:

2015 年 12 月 16 日更新。Python 3.4 拥有一个能显著加速 Fibonacci() 函数的内置缓存。我更新了这篇文章来展示它的用途。

2015 年 12 月 17 日更新。在运行 Python 的相同机器上 运行 Julia 0.4.2 会导致时间增加。

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