Python數據預處理：使用Dask和Numba並行化加速

如果你善於使用Pandas變換數據、創建特徵以及清洗數據等，那麼你就能夠輕鬆地使用Dask和Numba並行加速你的工作。單純從速度上比較，Dask完勝Python，而Numba打敗Dask，那麼Numba+Dask基本上算是無敵的存在。將數值計算分成Numba sub-function和使用Dask map_partition+apply，而不是使用Pandas。對於100萬行數據，使用Pandas方法和混合數值計算創建新特徵的速度比使用Numba+Dask方法的速度要慢許多倍。

Python：60.9x | Dask：8.4x | Numba：5.8x |Numba+Dask：1x

作為舊金山大學的一名數據科學碩士，會經常跟數據打交道。使用Apply函數是我用來創建新特徵或清理數據的眾多技巧之一。現在，我只是一名數據科學家，而不是計算機科學方面的專家，但我是一個喜歡搗鼓並使得代碼運行更快的程序員。現在，我將會分享我在並行應用上的經驗。

大多Python愛好者可能了解Python實現的全局解釋器鎖（GIL），GIL會佔用計算機中所有的CPU性能。更糟糕的是，我們主要的數據處理包，比如Pandas，很少能實現並行處理代碼。

Apply函數vs Multiprocessing.map

Tidyverse已經為處理數據做了一些美好的事情，Plyr是我最喜愛的數據包之一，它允許R語言使用者輕鬆地並行化他們的數據應用。Hadley Wickham說過：

「plyr是一套處理一組問題的工具：需要把一個大的數據結構分解成一些均勻的數據塊，之後對每一數據塊應用一個函數，最後將所有結果組合在一起。」

對於Python而言，我希望有類似於plyr這樣的數據包可供使用。然而，目前這樣的數據包還不存在，但我可以使用並行數據包構成一個簡單的解決方案。

Dask

之前在Spark上花費了一些時間，因此當我開始使用Dask時，還是比較容易地掌握其重點內容。Dask被設計成能夠在多核CPU上並行處理任務，此外也借鑒了許多Pandas的語法規則。

現在開始本文所舉例子。對於最近的數據挑戰而言，我試圖獲取一個外部數據源（包含許多地理編碼點），並將其與要分析的一大堆街區相匹配。在計算歐幾里得距離的同時，使用最大啟發式將最大值分配給一個街區。

最初的apply：

Dask apply:

二者看起來很相似，apply核心語句是map_partitions，最後有一個compute()語句。此外，不得不對npartitions初始化。 分區的工作原理就是將Pandas數據幀劃分成塊，對於我的電腦而言，配置是6核-12線程，我只需告訴它使用的是12分區，Dask就會完成剩下的工作。

接下來，將map_partitions的lambda函數應用於每個分區。由於許多數據處理代碼都是獨立地運行，所以不必過多地擔心這些操作的順序問題。最後，compute()函數告訴Dask來處理剩餘的事情，並把最終計算結果反饋給我。在這裡，compute()調用Dask將apply適用於每個分區，並使其並行處理。

由於我通過迭代行來生成一個新隊列（特徵），而Dask apply只在列上起作用，因此我沒有使用Dask apply，以下是Dask程序：

Numba、Numpy和Broadcasting

由於我是根據一些簡單的線性運算（基本上是勾股定理）對數據進行分類，所以認為使用類似下面的Python代碼會運行得更快一些。

Broadcasting用以描述Numpy中對兩個形狀不同的矩陣進行數學計算的處理機制。假設我有一個數組，我會通過迭代並逐個變換每個單元格來改變它

相反，我完全可以跳過for循環，並對整個數組執行操作。Numpy與broadcasting混合使用，用來執行元素智能乘積（對位相乘）。

Broadcasting可以實現更多的功能，現在看看骨架代碼：

從本質上講，代碼的功能是改變數組。好的一方面是運行很快，甚至能和Dask並行處理速度比較。其次，如果使用的是最基本的Numpy和Python，那麼就可以及時編譯任何函數。壞的一面在於它只適合Numpy和簡單Python語法。我不得不把所有的數值計算從我的函數轉換成子函數，但其計算速度會增加得非常快。

組合使用

簡單地使用map_partition()就可以將Numba函數與Dask結合在一起，如果並行操作和broadcasting能夠密切合作以加快運行速度，那麼對於大數據集而言，將會看到其運行速度得到大幅提升。

上面的第一張圖表明，沒有broadcasting的線性計算其表現不佳，並行處理和Dask對速度提升也有效果。此外，可以明顯地發現，Dask和Numba組合的性能優於其它方法。

上面的第二張圖稍微有些複雜，其橫坐標是對行數取對數。從第二張圖可以發現，對於1k到10k這樣小的數據集，單獨使用Numba的性能要比聯合使用Numba+Dask的性能更好，儘管在大數據集上Numba+Dask的性能非常好。

優化

為了能夠使用Numba編譯JIT，我重寫了函數以更好地利用broadcasting。之後，重新運行這些函數後發現，平均而言，對於相同的代碼，JIT的執行速度大約快了24%。

可以肯定的說，一定有進一步的優化方法使得執行速度更快，但目前沒有發現。Dask是一個非常友好的工具，本文使用Dask+Numba實現的最好成果是提升運行速度60倍。如果你知道其它的提升執行速度的技巧，歡迎在留言區分享。

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