强化学习技巧五:numba提速python程序
numba是一款可以将python函数编译为机器代码的JIT编译器,经过numba编译的python代码(仅限数组运算),其运行速度可以接近C或FORTRAN语言。
numba使用情况
- 使用numpy数组做大量科学计算时
- 使用for循环时
1.numba使用
导入numpy、numba及其编译器
import numpy as np
import numba
from numba import jit
传入numba装饰器jit,编写函数
# 使用numba的情况
@jit(nopython=True)
def t():
x = 0
for i in np.arange(5000):
x += i
return x
%timeit(t())
nopython = True选项要求完全编译该函数(以便完全删除Python解释器调用),否则会引发异常。这些异常通常表示函数中需要修改的位置,以实现优于Python的性能。强烈建议您始终使用nopython = True。
2.不适用场景
numba目前只支持Python原生函数和部分Numpy函数,其他场景下无效。
from numba import jit
import pandas as pd
x = {'a': [1, 2, 3], 'b': [20, 30, 40]}
@jit
def use_pandas(a): # Function will not benefit from Numba jit
df = pd.DataFrame.from_dict(a) # Numba doesn't know about pd.DataFrame
df += 1 # Numba doesn't understand what this is
return df.cov() # or this!
print(use_pandas(x))
上述代码中使用了Pandas,而Pandas并不是原生代码,而是更高层次的封装,Numba不能理解pandas内部在做什么,所以无法对其加速。
而一些常用的机器学习框架,比如scikit-learn, tensorflow, pyrorch等,已经做了大量的优化,不适合再使用Numba做加速。
可以简单总结为,Numba不支持:
pandas
scikit-learn, tensorflow, pyrorch
try…except异常处理
with语句
yield from

Numba有两种模式:
@jit:object模式:上图左侧
Numba的@jit装饰器会尝试优化代码,如果发现不支持(比如pandas等),那么Numba会继续使用Python原来的方法去执行该函数。
@jit(nopython=True)或者@njit:nopython模式:上图右侧
强制加速,不会进入上图左侧流程,只进行右侧流程,如果编译不成功,就抛出异常。
Numba使用了LLVM和NVVM技术,此技术将Python等解释型语言直接翻译成CPU、GPU可执行的机器码。
那如何决定是否使用Numba呢?
Numba的@jit装饰器就像自动驾驶,用户不需要关注到底是如何优化的,Numba去尝试进行优化,如果发现不支持,那么Numba会继续用Python原来的方法去执行该函数,即图 Python解释器工作原理中左侧部分。这种模式被称为object模式。前文提到的pandas的例子,Numba发现无法理解里面的内容,于是自动进入了object模式。object模式还是和原生的Python一样慢,还有可能比原来更慢。
Numba真正牛逼之处在于其nopython模式。将装饰器改为@jit(nopython=True)或者@njit,Numba会假设你已经对所加速的函数非常了解,强制使用加速的方式,不会进入object模式,如编译不成功,则直接抛出异常。nopython的名字会有点歧义,我们可以理解为不使用很慢的Python,强制进入图 Python解释器工作原理中右侧部分。
实践上,一般推荐将代码中计算密集的部分作为单独的函数提出来,并使用nopython方式优化,这样可以保证我们能使用到Numba的加速功能。其余部分还是使用Python原生代码,在计算加速的前提下,避免过长的编译时间。(有关编译时间的问题下节将会介绍。)Numba可以与NumPy紧密结合,两者一起,常常能够得到近乎C语言的速度。尽管Numba不能直接优化pandas,但是我们可以将pandas中处理数据的for循环作为单独的函数提出来,再使用Numba加速。
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