[[408830]]

 Python 是一種腳本語言，相比 C/C++ 這樣的編譯語言，在效率和性能方面存在一些不足。但是，有很多時候，Python 的效率并沒有想象中的那么夸張。本文對一些 Python 代碼加速運行的技巧進行整理。

0. 代碼優化原則

本文會介紹不少的 Python 代碼加速運行的技巧。在深入代碼優化細節之前，需要了解一些代碼優化基本原則。

第一個基本原則是不要過早優化。很多人一開始寫代碼就奔著性能優化的目標，“讓正確的程序更快要比讓快速的程序正確容易得多”。因此，優化的前提是代碼能正常工作。過早地進行優化可能會忽視對總體性能指標的把握，在得到全局結果前不要主次顛倒。

第二個基本原則是權衡優化的代價。優化是有代價的，想解決所有性能的問題是幾乎不可能的。通常面臨的選擇是時間換空間或空間換時間。另外，開發代價也需要考慮。

第三個原則是不要優化那些無關緊要的部分。如果對代碼的每一部分都去優化，這些修改會使代碼難以閱讀和理解。如果你的代碼運行速度很慢，首先要找到代碼運行慢的位置，通常是內部循環，專注于運行慢的地方進行優化。在其他地方，一點時間上的損失沒有什么影響。

1. 避免全局變量 

# 不推薦寫法。代碼耗時：26.8秒  
import math  
size = 10000  
for x in range(size):  
    for y in range(size):  
        z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y) 

許多程序員剛開始會用 Python 語言寫一些簡單的腳本，當編寫腳本時，通常習慣了直接將其寫為全局變量，例如上面的代碼。但是，由于全局變量和局部變量實現方式不同，定義在全局范圍內的代碼運行速度會比定義在函數中的慢不少。通過將腳本語句放入到函數中，通常可帶來 15% - 30% 的速度提升。 

# 推薦寫法。代碼耗時：20.6秒  
import math  
def main():  # 定義到函數中，以減少全部變量使用  
    size = 10000  
    for x in range(size):  
        for y in range(size):  
            z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)  
main() 

2. 避免模塊和函數屬性訪問 

# 不推薦寫法。代碼耗時：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() 

每次使用.（屬性訪問操作符時）會觸發特定的方法，如__getattribute__()和__getattr__()，這些方法會進行字典操作，因此會帶來額外的時間開銷。通過from import語句，可以消除屬性訪問。 

# 第一次優化寫法。代碼耗時：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() 

在第 1 節中我們講到，局部變量的查找會比全局變量更快，因此對于頻繁訪問的變量sqrt，通過將其改為局部變量可以加速運行。 

# 第二次優化寫法。代碼耗時：9.9秒  
import math  
def computeSqrt(size: int):  
    result = []  
    sqrt = math.sqrt  # 賦值給局部變量  
    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() 

除了math.sqrt外，computeSqrt函數中還有.的存在，那就是調用list的append方法。通過將該方法賦值給一個局部變量，可以徹底消除computeSqrt函數中for循環內部的.使用。 

# 推薦寫法。代碼耗時：7.9秒  
import math  
def computeSqrt(size: int):  
    result = []  
    append = result.append  
    sqrt = math.sqrt    # 賦值給局部變量  
    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() 

3. 避免類內屬性訪問 

# 不推薦寫法。代碼耗時：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() 

避免.的原則也適用于類內屬性，訪問self._value的速度會比訪問一個局部變量更慢一些。通過將需要頻繁訪問的類內屬性賦值給一個局部變量，可以提升代碼運行速度。 

# 推薦寫法。代碼耗時：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() 

4. 避免不必要的抽象 

# 不推薦寫法，代碼耗時：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() 

任何時候當你使用額外的處理層（比如裝飾器、屬性訪問、描述器）去包裝代碼時，都會讓代碼變慢。大部分情況下，需要重新進行審視使用屬性訪問器的定義是否有必要，使用getter/setter函數對屬性進行訪問通常是 C/C++ 程序員遺留下來的代碼風格。如果真的沒有必要，就使用簡單屬性。 

# 推薦寫法，代碼耗時：0.33秒  
class DemoClass:  
    def __init__(self, value: int):  
        self.value = value  # 避免不必要的屬性訪問器  
def main():  
    size = 1000000  
    for i in range(size):  
        demo_instance = DemoClass(size)  
        value = demo_instance.value  
        demo_instance.value = i  
main() 

5. 避免數據復制

4.1 避免無意義的數據復制 

# 不推薦寫法，代碼耗時：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() 

上面的代碼中value_list完全沒有必要，這會創建不必要的數據結構或復制。 

# 推薦寫法，代碼耗時：4.8秒  
def main(): 
    size = 10000  
    for _ in range(size):  
        value = range(size)  
        square_list = [x * x for x in value]  # 避免無意義的復制  
main() 

另外一種情況是對 Python 的數據共享機制過于偏執，并沒有很好地理解或信任 Python 的內存模型，濫用 copy.deepcopy()之類的函數。通常在這些代碼中是可以去掉復制操作的。

5.2 交換值時不使用中間變量 

# 不推薦寫法，代碼耗時：0.07秒  
def main():  
    size = 1000000  
    for _ in range(size):  
        a = 3  
        b = 5  
        temp = a  
        a = b  
        b = temp 
main() 

上面的代碼在交換值時創建了一個臨時變量temp，如果不借助中間變量，代碼更為簡潔、且運行速度更快。 

# 推薦寫法，代碼耗時：0.06秒  
def main():  
    size = 1000000 
    for _ in range(size):  
        a = 3  
        b = 5  
        a, bb = b, a  # 不借助中間變量  
main() 

5.3 字符串拼接用join而不是+ 

# 不推薦寫法，代碼耗時：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() 

當使用a + b拼接字符串時，由于 Python 中字符串是不可變對象，其會申請一塊內存空間，將a和b分別復制到該新申請的內存空間中。因此，如果要拼接 n 個字符串，會產生 n-1 個中間結果，每產生一個中間結果都需要申請和復制一次內存，嚴重影響運行效率。而使用join()拼接字符串時，會首先計算出需要申請的總的內存空間，然后一次性地申請所需內存，并將每個字符串元素復制到該內存中去。 

# 推薦寫法，代碼耗時：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() 

6. 利用if條件的短路特性 

# 不推薦寫法，代碼耗時：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() 

if 條件的短路特性是指對if a and b這樣的語句， 當a為False時將直接返回，不再計算b；對于if a or b這樣的語句，當a為True時將直接返回，不再計算b。因此， 為了節約運行時間，對于or語句，應該將值為True可能性比較高的變量寫在or前，而and應該推后。 

# 推薦寫法，代碼耗時：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 條件的短路特性  
            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() 

7. 循環優化

7.1 用for循環代替while循環 

# 不推薦寫法。代碼耗時：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() 

Python 的for循環比while循環快不少。 

# 推薦寫法。代碼耗時：4.3秒  
def computeSum(size: int) -> int:  
    sum_ = 0  
    for i in range(size):  # for 循環代替 while 循環  
        sum_ += i  
    return sum_  
def main():  
    size = 10000  
    for _ in range(size):  
        sum_ = computeSum(size)  
main() 

7.2 使用隱式for循環代替顯式for循環

針對上面的例子，更進一步可以用隱式for循環來替代顯式for循環 

# 推薦寫法。代碼耗時：1.7秒  
def computeSum(size: int) -> int:  
    return sum(range(size))  # 隱式 for 循環代替顯式 for 循環  
def main():  
    size = 10000  
    for _ in range(size):  
        sum = computeSum(size)  
main() 

7.3 減少內層for循環的計算 

# 不推薦寫法。代碼耗時：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()  

上面的代碼中sqrt(x)位于內側for循環， 每次訓練過程中都會重新計算一次，增加了時間開銷。 

# 推薦寫法。代碼耗時：7.0秒  
import math  
def main():  
    size = 10000  
    sqrt = math.sqrt  
    for x in range(size):  
        sqrtsqrt_x = sqrt(x)  # 減少內層 for 循環的計算  
        for y in range(size):  
            z = sqrt_x + sqrt(y) 
 main()  

8. 使用numba.jit

我們沿用上面介紹過的例子，在此基礎上使用numba.jit。numba可以將 Python 函數 JIT 編譯為機器碼執行，大大提高代碼運行速度。關于numba的更多信息見下面的主頁：http://numba.pydata.org/numba.pydata.org 

# 推薦寫法。代碼耗時：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() 

9. 選擇合適的數據結構

Python 內置的數據結構如str, tuple, list, set, dict底層都是 C 實現的，速度非常快，自己實現新的數據結構想在性能上達到內置的速度幾乎是不可能的。

list類似于 C++ 中的std::vector，是一種動態數組。其會預分配一定內存空間，當預分配的內存空間用完，又繼續向其中添加元素時，會申請一塊更大的內存空間，然后將原有的所有元素都復制過去，之后銷毀之前的內存空間，再插入新元素。

刪除元素時操作類似，當已使用內存空間比預分配內存空間的一半還少時，會另外申請一塊小內存，做一次元素復制，之后銷毀原有大內存空間。

因此，如果有頻繁的新增、刪除操作，新增、刪除的元素數量又很多時，list的效率不高。此時，應該考慮使用collections.deque。collections.deque是雙端隊列，同時具備棧和隊列的特性，能夠在兩端進行 O(1) 復雜度的插入和刪除操作。

list的查找操作也非常耗時。當需要在list頻繁查找某些元素，或頻繁有序訪問這些元素時，可以使用bisect維護list對象有序并在其中進行二分查找，提升查找的效率。

另外一個常見需求是查找極小值或極大值，此時可以使用heapq模塊將list轉化為一個堆，使得獲取最小值的時間復雜度是 O(1)。

下面的網頁給出了常用的 Python 數據結構的各項操作的時間復雜度：https://wiki.python.org/moin/TimeComplexity