前言
Python对我们的日常生活影响越来越大了,工作中生活中都能见到它的影子,比如做日常任务,比如下载视频、MP3、自动化操作excel、自动发邮件、还有做网站开发、web应用开发,很多著名的网站像知乎、YouTube就是Python写的。Python丰富了我们的生活也给我带来了许多的便利。
但是Python 一直以来也有被大家所诟病的一点就是执行速度慢,但又不可否认的是 Python 依然是我们学习和工作中的一大利器。因此,我们对 Python 呢是“又爱又恨”。
本文总结了一些小 tips 有助于提升 Python 执行速度、优化性能。以下所有技巧都经过我的验证,可放心食用。
正文

1.使用map()进行函数映射

✅ Exp1:将字符串数组中的小写字母转为大写字母。
测试数组为 oldlist = ['life', 'is', 'short', 'i', 'choose', 'python']。
  • 方法一
	
newlist = [] for word in oldlist: newlist.append(word.upper())
  • 方法二
	
list(map(str.upper, oldlist))
方法一耗时 0.5267724000000005s,方法二耗时 0.41462569999999843s,性能提升 21.29%

2.使用set()求交集

✅ Exp2:求两个list的交集。
测试数组:a = [1,2,3,4,5],b = [2,4,6,8,10]。
  • 方法一
	
overlaps = [] for x in a: for y in b: if x == y: overlaps.append(x)
  • 方法二
	
list(set(a) & set(b))
方法一耗时 0.9507264000000006s,方法二耗时 0.6148200999999993s,性能提升 35.33%
关于set()的语法:|、&、-分别表示求并集、交集、差集。

3.使用sort()或sorted()排序

我们可以通过多种方式对序列进行排序,但其实自己编写排序算法的方法有些得不偿失。因为内置的 sort()或 sorted() 方法已经足够优秀了,且利用参数key可以实现不同的功能,非常灵活。二者的区别是sort()方法仅被定义在list中,而sorted()是全局方法对所有的可迭代序列都有效。
✅ Exp3:分别使用快排和sort()方法对同一列表排序。
测试数组:lists = [2,1,4,3,0]。
方法一
	
def quick_sort(lists,i,j): if i >= j: return list pivot = lists[i] low = i high = j while i < j: while i < j and lists[j] >= pivot: j -= 1 lists[i]=lists[j] while i < j and lists[i] <=pivot: i += 1 lists[j]=lists[i] lists[j] = pivot quick_sort(lists,low,i-1) quick_sort(lists,i+1,high) return lists
方法二
	
lists.sort()
方法一耗时 2.4796975000000003s,方法二耗时 0.05551999999999424s,性能提升 97.76%
顺带一提,sorted()方法耗时 0.1339823999987857s。
可以看出,sort()作为list专属的排序方法还是很强的,sorted()虽然比前者慢一点,但是胜在它“不挑食”,它对所有的可迭代序列都有效。
扩展:如何定义sort()或sorted()方法的key❓
  • 通过lambda定义
	
#学生:(姓名,成绩,年龄) students = [('john', 'A', 15),('jane', 'B', 12),('dave', 'B', 10)] students.sort(key = lambda student: student[0]) #根据姓名排序 sorted(students, key = lambda student: student[0])
  • 通过operator定义
	
import operator students = [('john', 'A', 15),('jane', 'B', 12),('dave', 'B', 10)] students.sort(key=operator.itemgetter(0)) sorted(students, key = operator.itemgetter(1, 0)) #先对成绩排序,再对姓名排序 operator的itemgetter()适用于普通数组排序,attrgetter()适用于对象数组排序
  • 通过cmp_to_key()定义,最为灵活
	
import functools def cmp(a,b): if a[1] != b[1]: return -1 if a[1] < b[1] else 1 #先按照成绩升序排序 elif a[0] != b[0]: return -1 if a[0] < b[0] else 1 #成绩相同,按照姓名升序排序 else: return -1 if a[2] > b[2] else 1 #成绩姓名都相同,按照年龄降序排序 students = [('john', 'A', 15),('john', 'A', 14),('jane', 'B', 12),('dave', 'B', 10)] sorted(students, key = functools.cmp_to_key(cmp))

4.使用collections.Counter()计数

✅ Exp4:统计字符串中每个字符出现的次数。
测试数组:sentence='life is short, i choose python'。
  • 方法一
	
counts = {} for char in sentence:
counts[char] = counts.get(char, 0) + 1
  • 方法二
	
from collections import Counter Counter(sentence)
方法一耗时 2.8105250000000055s,方法二耗时 1.6317423000000062s,性能提升 41.94%

5.使用列表推导

列表推导(list comprehension)短小精悍。在小代码片段中,可能没有太大的区别。但是在大型开发中,它可以节省一些时间。
✅ Exp5:对列表中的奇数求平方,偶数不变。
测试数组:oldlist = range(10)。
  • 方法一
	
newlist = [] for x in oldlist: if x % 2 == 1:
newlist.append(x**2)
  • 方法二
	
[x**2 for x in oldlist if x%2 == 1]
方法一耗时 1.5342976000000021s,方法二耗时 1.4181957999999923s,性能提升 7.57%

6.使用 join() 连接字符串

大多数人都习惯使用+来连接字符串。但其实,这种方法非常低效。因为,+操作在每一步中都会创建一个新字符串并复制旧字符串。更好的方法是用 join() 来连接字符串。关于字符串的其他操作,也尽量使用内置函数,如isalpha()、isdigit()、startswith()、endswith()等。
✅ Exp6:将字符串列表中的元素连接起来。
测试数组:oldlist = ['life', 'is', 'short', 'i', 'choose', 'python']。
方法一
	
sentence = "" for word in oldlist: sentence += word
方法二
	
"".join(oldlist)
方法一耗时 0.27489080000000854s,方法二耗时 0.08166570000000206s,性能提升 70.29%
join还有一个非常舒服的点,就是它可以指定连接的分隔符,举个例子👇
	
oldlist = ['life', 'is', 'short', 'i', 'choose', 'python'] sentence = "//".join(oldlist) print(sentence)
life//is//short//i//choose//python

7.使用x, y = y, x交换变量

✅ Exp6:交换x,y的值。
测试数据:x, y = 100, 200。
方法一
	
temp = x x = y y = temp
方法二
	
x, y = y, x
方法一耗时 0.027853900000010867s,方法二耗时 0.02398730000000171s,性能提升 13.88%

8.使用while 1取代while True

在不知道确切的循环次数时,常规方法是使用while True进行无限循环,在代码块中判断是否满足循环终止条件。虽然这样做没有任何问题,但while 1的执行速度比while True更快。因为它是一种数值转换,可以更快地生成输出。
✅ Exp8:分别用while 1和while True循环 100 次。
方法一
	
i = 0 while True: i += 1 if i > 100: break
方法二
	
i = 0 while 1: i += 1 if i > 100: break
方法一耗时 3.679268300000004s,方法二耗时 3.607847499999991s,性能提升1.94%

9.使用装饰器缓存

将文件存储在高速缓存中有助于快速恢复功能。Python 支持装饰器缓存,该缓存在内存中维护特定类型的缓存,以实现最佳软件驱动速度。我们使用lru_cache装饰器来为斐波那契函数提供缓存功能,在使用fibonacci递归函数时,存在大量的重复计算,例如fibonacci(1)、fibonacci(2)就运行了很多次。而在使用了lru_cache后,所有的重复计算只会执行一次,从而大大提高程序的执行效率。
✅ Exp9:求斐波那契数列。
测试数据:fibonacci(7)。
方法一
	
def fibonacci(n): if n == 0: return 0 elif n == 1: return 1 return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n-2)
方法二
	
import functools @functools.lru_cache(maxsize=128) def fibonacci(n): if n == 0: return 0 elif n == 1: return 1 return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n-2)
方法一耗时 3.955014900000009s,方法二耗时 0.05077979999998661s,性能提升 98.72%
注意事项
缓存是按照参数作为键,也就说在参数不变时,被lru_cache装饰的函数只会执行一次。
所有参数必须可哈希,例如list不能作为被lru_cache装饰的函数的参数。
	
import functools @functools.lru_cache(maxsize=100) def demo(a, b): print('我被执行了') return a + b if __name__ == '__main__': demo(1, 2) demo(1, 2)
我被执行了(执行了两次demo(1, 2),却只输出一次)
	
from functools import lru_cache @lru_cache(maxsize=100) def list_sum(nums: list): return sum(nums) if __name__ == '__main__': list_sum([1, 2, 3, 4, 5])
TypeError: unhashable type: 'list'
functools.lru_cache(maxsize=128, tped=False)的两个可选参数:
maxsize代表缓存的内存占用值,超过这个值之后,就的结果就会被释放,然后将新的计算结果进行缓存,其值应当设为 2 的幂。
typed若为True,则会把不同的参数类型得到的结果分开保存。

10.减少点运算符(.)的使用

点运算符(.)用来访问对象的属性或方法,这会引起程序使用__getattribute__()和__getattr__()进行字典查找,从而带来不必要的开销。尤其注意,在循环当中,更要减少点运算符的使用,应该将它移到循环外处理。
这启发我们应该尽量使用from ... import ...这种方式来导包,而不是在需要使用某方法时通过点运算符来获取。其实不光是点运算符,其他很多不必要的运算我们都尽量移到循环外处理。
✅ Exp10:将字符串数组中的小写字母转为大写字母。
测试数组为 oldlist = ['life', 'is', 'short', 'i', 'choose', 'python']。
方法一
	
newlist = [] for word in oldlist: newlist.append(str.upper(word))
方法二
	
newlist = [] upper = str.upper for word in oldlist: newlist.append(upper(word))
方法一耗时 0.7235491999999795s,方法二耗时 0.5475435999999831s,性能提升 24.33% 🚀

11.使用for循环取代while循环

当我们知道具体要循环多少次时,使用for循环比使用while循环更好。
✅ Exp12:使用for和while分别循环 100 次。
方法一
	
i = 0 while i < 100: i += 1
方法二
	
for _ in range(100): pass
方法一耗时 3.894683299999997s,方法二耗时 1.0198077999999953s,性能提升73.82%

12.使用Numba.jit加速计算

Numba 可以将 Python 函数编译码为机器码执行,大大提高代码执行速度,甚至可以接近 C 或 FORTRAN 的速度。它能和 Numpy 配合使用,在 for 循环中或存在大量计算时能显著地提高执行效率。
✅ Exp12:求从 1 加到 100 的和。
方法一
	
def my_sum(n): x = 0 for i in range(1, n+1): x += i return x
方法二
	
from numba import jit @jit(nopython=True) def numba_sum(n): x = 0 for i in range(1, n+1): x += i return x
方法一耗时 3.7199997000000167s,方法二耗时 0.23769430000001535s,性能提升 93.61%

13.使用Numpy矢量化数组

矢量化是 NumPy 中的一种强大功能,可以将操作表达为在整个数组上而不是在各个元素上发生。这种用数组表达式替换显式循环的做法通常称为矢量化。
在 Python 中循环数组或任何数据结构时,会涉及很多开销。NumPy 中的向量化操作将内部循环委托给高度优化的 C 和 Fortran 函数,从而使 Python 代码更加快速。
✅ Exp13:两个长度相同的序列逐元素相乘。
测试数组:a = [1,2,3,4,5], b = [2,4,6,8,10]
方法一
	
[a[i]*b[i] for i in range(len(a))]
方法二
	
import numpy as np a = np.array([1,2,3,4,5]) b = np.array([2,4,6,8,10]) a*b
方法一耗时 0.6706845000000214s,方法二耗时 0.3070132000000001s,性能提升 54.22%

14.使用in检查列表成员

若要检查列表中是否包含某成员,通常使用in关键字更快。
✅ Exp14:检查列表中是否包含某成员。
测试数组:lists = ['life', 'is', 'short', 'i', 'choose', 'python']
方法一
	
def check_member(target, lists): for member in lists: if member == target: return True return False
方法二
	
if target in lists: pass
方法一耗时 0.16038449999999216s,方法二耗时 0.04139250000000061s,性能提升 74.19%

15.使用itertools库迭代

itertools是用来操作迭代器的一个模块,其函数主要可以分为三类:无限迭代器、有限迭代器、组合迭代器。
✅ Exp15:返回列表的全排列。
测试数组:["Alice", "Bob", "Carol"]
方法一
	
def permutations(lst): if len(lst) == 1 or len(lst) == 0: return [lst] result = [] for i in lst: temp_lst = lst[:] temp_lst.remove(i) temp = permutations(temp_lst) for j in temp: j.insert(0, i) result.append(j) return result
方法二
	
import itertools itertools.permutations(["Alice", "Bob", "Carol"])
方法一耗时 3.867292899999484s,方法二耗时 0.3875405000007959s,性能提升 89.98%
总结
根据上面的测试数据,我绘制了下面这张实验结果图,可以更加直观的看出不同方法带来的性能差异。
从图中可以看出,大部分的技巧所带来的性能增幅还是比较可观的,但也有少部分技巧的增幅较小(例如编号5、7、8,其中,第 8 条的两种方法几乎没有差异)。
总结下来,我觉得其实就是下面这两条原则:
1.尽量使用内置库函数 内置库函数由专业的开发人员编写并经过了多次测试,很多库函数的底层是用C语言开发的。因此,这些函数总体来说是非常高效的(比如sort()、join()等),自己编写的方法很难超越它们,还不如省省功夫,不要重复造轮子了,何况你造的轮子可能更差。所以,如果函数库中已经存在该函数,就直接拿来用。 2.尽量使用优秀的第三方库 有很多优秀的第三方库,它们的底层可能是用 C 和 Fortran 来实现的,像这样的库用起来绝对不会吃亏,比如前文提到的 Numpy 和 Numba,它们带来的提升都是非常惊人的。类似这样的库还有很多,比如Cython、PyPy等,这里我只是抛砖引玉。
其实加快 Python 代码执行速度的方法还有很多,比如避免使用全局变量、使用最新版本、使用合适的数据结构、利用if条件的惰性等等,我这里就不一一例举了。
这些方法都需要我们亲身去实践才会有深刻的感受和理解,但最根本的方法就是保持我们对编程的热情和对最佳实践的追求,这才是我们能不断突破自我、勇攀高峰的不竭动力源泉!
最后
这篇贴子到这里就结束了,最后,希望看这篇帖子的朋友能够有所收获。欢迎留言,或是关注我的专栏和我交流。