[daily][optimize] 一个小python程序的性能优化 （python类型转换函数引申的性能优化）

前天，20161012，到望京面试。第四个职位，终于进了二面。好么，结果人力安排完了面试时间竟然没有通知我，也没有收到短信邀请。如果没有短信邀请门口的保安大哥是不让我进去大厦的。然后，我在11号接到了面试官直接打来的电话，问我为啥还没到，我说没人通知我我不知道呀。结果我就直接被他邀请去以访客的身份参加面试了。不知道人力的姑娘是不是认识我，且和我有仇，终于可以报复了。。。

然后，我终于如约到了，面试官带着我去前台登记。前台的妹子更萌。。。认为我是面试官，面试官是才是来面试的。我气质真的那么合吗？

当与前台的姑娘交谈，你就会直面的感受到他们刻意用心经营的企业文化。仅称呼就让我起了一身的鸡皮疙瘩，好想转身逃掉。可是，永远不要与钱为敌。

言归正传，吃面正式开始。两个面试官，一个不修边幅放眼望去就是功力深厚的技术人员，手长的纤细柔软而冰冷，握起来有气无力。但是总有一种随时可以变身成浩克的光环莫名萦绕。另一位年纪轻轻，估计定是某顶尖高校的顶尖生，专业知识想必烂熟于心。坐下的时候，两人默默，专心的浏览简历。于是我先打破沉默，主动做了自我介绍，还没到一半的时候被高才生打断，告诉我光说不清晰画一画。我便自己起身找了找那面墙是用来写字的，又到处找了找白板笔放在哪里，然后开画。边画边讲，还没到一半，我看了一眼，发现高才生在电脑上忙叨，也不知忙叨什么。浩克大哥低着头暗自神伤。两个人都完全没有在听，看来早已失去了兴趣。可能是我为了提高成功率表现的太能说会道了，反而不像个技术人员，倒像个产品销售之类的，这一点确实会让一个纯粹的技术人员产生不信任感和不安全感。

然后我终于把一段在别人家讲起来生动有趣，大部分人都会与我彼此讨论差不多一个小时的架构设计。对着两个心不在焉的人草草简短结束。现在回想起来我还没有弄明白，到底是那一个点让他们如此之快的失去了兴趣。衣服还没脱就已经萎了。。。然后，他们决定开始第二部分。编程测试。给了我一个macbook，开了个console。

好，相声讲完了，下面言归正传。

题如下：

一个60万行的文本文件，每行有逗号分隔的12列。第一列为字符串（为任意字符），后十一列为数组。

写一个python程序，将后11列的数字按列相加，将11个加和的数字按顺序打印，如，第一行的第二列加第二行的第二列加第三行的第二列。。。。

我复制了一个统一样本输出的程序 generator.py ，用以测试如下：

#! /usr/bin/python2

import random
import time

def main():
        maxv = 1<<16 - 1
        f = open('base.txt', 'w')
        random.seed(1476599333)
        for i in range(0, 600000):
                length = random.randint(10, 50)
                a = ""
                for i in range(0, length):
                        v = random.randint(32, 126)
                        a += chr(v)
                for i in range(0, 11):
                        v = random.randint(0, maxv)
                        a += ','
                        a += str(v)
                a += '\n'
                f.write(a)
        f.close()

if '__main__' == __name__:
        main()

使用上述程序，可以得到一个原始输入文件，用于测试。

我的第一份答案是这样的：

#! /usr/bin/python2

def main():
        f = open('base.txt', 'r')
        result = ['HOST', 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]
        for line in f.readlines():
                l = line.strip().split(',')
                length = len(l)
                if length < 12 :
                        raise Exception, "HUGE_TONG: Wrong format"
                skip = length - 12
                for i in range(1,12):
                        result[i] += int(l[i+skip])
        f.close()
        print result

if __name__ == '__main__':
        r = main()
        exit(r)

运行结果：

[tong@T7 chimian]$ time ./run.py
['HOST', 9829498952, 9833094366, 9827153757, 9835131709, 9843502266, 9836377986, 9825044768, 9833232152, 9841073437, 9833009489, 9833147503]

real    0m3.787s
user    0m3.747s
sys     0m0.037s

共花了 3.7 秒，顶尖生说这实在太慢了，要优化！ 优化个毛线啊，我巴拉巴拉随便说了点思路，他说不对，我就投降了，因为性能不满意就用C好了！从来没想过python还要玩这么高深的优化，其实对于这种狗屁面试题我很生气。他说耗性能的是int（）函数，可以用generator什么什么之类的。回来之后和张老师以及胡老师发了发牢骚，他们还挺兴趣的这个题。索性我也就再重新好好研究一下。

首先，优化的第一步是找到性能瓶颈。如高才生所言，我把int（）函数替换成一般的加法，输出结果如下：

[tong@T7 chimian]$ time ./run-md.py
[, , , , , , , , , , ]

real    0m1.208s
user    0m1.180s
sys     0m0.023s
[tong@T7 chimian]$ diff run.py run-md.py
13c13,
<                       result[i] += int(l[i+skip])
---
>               #       result[i] += int(l[i+skip])
>                       result[i] +=
[tong@T7 chimian]$ 

在未知性能瓶颈的情况下，我们首先需要找到程序中最耗时的部分所在，一般在C语言中，我一般使用工具grof。那么python怎么办？

读了官方文档，关于调试与性能优化的章节 但是输出只能查看到用户逻辑部分，即使使用了高级功能，并不能看见python内部调用的统计，也不能查看逐行的统计，当然或许时因为我没看太懂所以不会。

>>> c=cProfile.Profile()
>>> c.enable()
>>> run.main()
[, , , , , , , , , , ]
>>> c.disable()
>>> ps = pstats.Stats(c)
>>> ps.sort_stats('cumulative').print_stats()
          function calls in 4.283 seconds

   Ordered by: cumulative time

   ncalls  tottime  percall  cumtime  percall filename:lineno(function)
            (<module>)
            (main)
       0.318    0.000    0.318    0.000 {method 'split' of 'str' objects}
       0.140    0.000    0.140    0.000 {range}
       0.069    0.000    0.069    0.000 {method 'strip' of 'str' objects}
            0.053    0.053    0.053    0.053 {method 'readlines' of 'file' objects}
       0.033    0.000    0.033    0.000 {len}
            /encodings/utf_8.py:(decode)
            0.000    0.000    0.000    0.000 {_codecs.utf_8_decode}
            0.000    0.000    0.000    0.000 {open}
            0.000    0.000    0.000    0.000 {method 'close' of 'file' objects}
            0.000    0.000    0.000    0.000 {method 'disable' of '_lsprof.Profiler' objects}

<pstats.Stats instance at 0x7f6ef2c8e6c8>
>>> 

可以看到，根据cprofile模块的统计，耗时最长的是split（）函数。

求助google，发现了 line_profiler 可以做行统计

[tong@T7 ~]$ sudo pip2 install line_profiler

用法：

1. 在需要分析的函数前增加修饰行 @profile

@profile
def main():
        f = open('base.txt', 'r')

2. 使用如下命令

[tong@T7 chimian]$ kernprof -v -l run.py
[, , , , , , , , , , ]
Wrote profile results to run.py.lprof
Timer unit: 1e- s

Total time: 10.9936 s
File: run.py
Function: main at line 

Line #      Hits         Time  Per Hit   % Time  Line Contents
==============================================================
                                                @profile
                                                def main():
                                8.0      0.0         f = open('base.txt', 'r')
                                ,,,,,,,,,,]
                      0.5      2.9         for line in f.readlines():
                      1.2      6.6                 l = line.strip().split(',')
                      0.5      2.5                 length = len(l)
                      :
                                                                      raise Exception, "HUGE_TONG: Wrong format"

                   ,):
                   0.9     54.2                         result[i] += int(l[i+skip])
                             14.0      0.0         f.close()
                             37.0      0.0         print result

可以看出，第14行占用了54%的运行时间，由于该行符合了多条运算，我门，试着将其展开在进行查看。

[tong@T7 chimian]$ kernprof -v -l run.py
[, , , , , , , , , , ]
Wrote profile results to run.py.lprof
Timer unit: 1e- s

Total time: 20.4831 s
File: run.py
Function: main at line 

Line #      Hits         Time  Per Hit   % Time  Line Contents
==============================================================
                                                @profile
                                                def main():
                                7.0      0.0         f = open('base.txt', 'r')
                                ,,,,,,,,,,]
                      0.6      1.7         for line in f.readlines():
                      1.3      3.8                 l = line.strip().split(',')
                      0.5      1.5                 length = len(l)
                      :
                                                                      raise Exception, "HUGE_TONG: Wrong format"

                   ,):
                                                              #       result[i] += int(l[i+skip])
                   0.5     14.9                         index = i + skip
                   0.5     14.7                         value_str = l[index]
                   0.8     27.3                         value_int = int(value_str)
                   0.5     16.8                         result[i] += value_int
                             13.0      0.0         f.close()
                             37.0      0.0         print result

实现了一个C语言版的用于对比：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main()
{
        FILE* fp = fopen("./base.txt", "r");
        );
        size_t len = ;
        ;
        ] = {,,,,,,,,,,};

        ) {
                int r = getline(&buf, &len, fp);
                ) {
                        )
                                perror("HUGE_TONG read(): ");
                        break;
                }
                slen = strlen(buf);
                ] != '\n') {
                        printf(]);
                }
                char* str;
                buf[slen-] = ;
                ;
                ; i >= ; i--) {
                        if (buf[i] == ',') {
                                str = buf + (i+);
                                buf[i] = ;
                                int value = atoi(str);
                                array[index--] += value;
                                ) {
                                        break;
                                }
                        }
                }
        }
        free(buf);
        fclose(fp);
        ; i < ; i++) {
                printf("%ld\t", array[i]);
        }
        printf("\n");
        ;
}

用时0.28秒，相差10倍之多。

[tong@T7 chimian]$ gcc -Wall -O3 crun.c
[tong@T7 chimian]$ time ./a.out 

real    0m0.288s
user    0m0.277s
sys     0m0.010s

尝试将py编译，后执行，效率无任何变化

[tong@T7 chimian]$ python2 -O3 -m py_compile run.py
[tong@T7 chimian]$ time python2 run.pyo
[, , , , , , , , , , ]

real    0m3.865s
user    0m3.833s
sys     0m0.030s

如前文，再次将类型转换函数替换为普通的赋值语句

[tong@T7 chimian]$ diff run.py run-md.py
17c17
<                       value_int = int(value_str)
---
>                       value_int =
[tong@T7 chimian]$ vim run-md.py
[tong@T7 chimian]$ vim run-md.py
[tong@T7 chimian]$ time ./run-md.py
[, , , , , , , , , , ]

real    0m1.449s
user    0m1.420s
sys     0m0.027s
[tong@T7 chimian]$ vim run-md.py
[tong@T7 chimian]$ kernprof -v -l run-md.py
[, , , , , , , , , , ]
Wrote profile results to run-md.py.lprof
Timer unit: 1e- s

Total time: 17.2632 s
File: run-md.py
Function: main at line 

Line #      Hits         Time  Per Hit   % Time  Line Contents
==============================================================
                                                @profile
                                                def main():
                                7.0      0.0         f = open('base.txt', 'r')
                                ,,,,,,,,,,]
                      0.6      1.9         for line in f.readlines():
                      1.2      4.2                 l = line.strip().split(',')
                      0.5      1.7                 length = len(l)
                      :
                                                                      raise Exception, "HUGE_TONG: Wrong format"

                   ,):
                                                              #       result[i] += int(l[i+skip])
                   0.4     17.2                         index = i + skip
                   0.4     17.0                         value_str = l[index]

                   0.5     19.3                         result[i] += value_int
                             12.0      0.0         f.close()
                             39.0      0.0         print result

再测，将内层for循环的操作，只保留为一次加赋值操作。

[tong@T7 chimian]$ time ./run-md.py
[, , , , , , , , , , ]

real    0m0.960s
user    0m0.923s
sys     0m0.033s
[tong@T7 chimian]$ cat run-md.py
#! /usr/bin/python2

#@profile
def main():
        f = open('base.txt', 'r')
        result = [,,,,,,,,,,]
        for line in f.readlines():
                l = line.strip().split(',')
                length = len(l)
                 :
                        raise Exception, "HUGE_TONG: Wrong format"
                skip = length -
                a =
                ,):
        #               result[i] += int(l[i+skip])
        #               index = i + skip
        #               value_str = l[index]
        #               value_int =
        #               result[i] += value_int
        #               result[i] +=
                        a +=
        f.close()
        print result

if __name__ == '__main__':
        r = main()
#       exit(r)
[tong@T7 chimian]$ 

再测，仅做6600000次加赋值操作

[tong@T7 chimian]$ time ./run-test.py 

real    0m0.372s
user    0m0.293s
sys     0m0.077s
[tong@T7 chimian]$ cat run-test.py
#! /usr/bin/python2

def main():
        a = ;
        , ):
                a += 

if __name__ == '__main__':
        main()
[tong@T7 chimian]$ 

并没有太多的思路，查到一篇 文章，写的很好。

看完这篇文章，我觉得我被他们耍了；这是一个典型的python特有的优化问题，根本没有跨语言优化的意义。

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Update @ 20161111

然而，就这个问题本身，即使不考虑python特性，其实仍然还是可以继续优化的，比较python+C混编。看看性能如何。

然而，对于这样一个毫无实际意义的问题，我不打算再继续了，结贴！