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如何加速我撰寫的Python代碼:包含嵌套函式的函式

2022-01-01 03:38:23 企業開發

我用 Python 撰寫了以下 NumPy 代碼:

def inbox_(points, polygon):
    """ Finding points in a region """

    ll = np.amin(polygon, axis=0)                        # lower limit
    ur = np.amax(polygon, axis=0)                        # upper limit

    in_idx = np.all(np.logical_and(ll <= points, points < ur), axis=1)        # points in the range [boolean]

    return in_idx


def operation_(r, gap, ends_ind):
    """ calculation formula which is applied on the points specified by inbox_ function """

    r_active = np.take(r, ends_ind)                       # taking values from "r" based on indices and shape (paired_values) of "ends_ind"
    r_sub = np.subtract.reduce(r_active, axis=1)          # subtracting each paired "r" determined by "ends_ind" [this line will be used in the final return formula]
    r_add = np.add.reduce(r_active, axis=1)               # adding each paired "r" determined by "ends_ind" [this line will be used in the final return formula]
    paired_cent_dis = np.sum((r_add, gap), axis=0)        # distance of the each two paired points

    return (np.power(gap, 2) * (np.power(paired_cent_dis, 2)   5 * paired_cent_dis * r_add - 7 * np.power(r_sub, 2))) / (3 * paired_cent_dis)      # Formula



def elapses(r, pos, gap, ends_ind, elem_vert, contact_poss):
    if len(gap) > 0:
        elaps = np.empty([len(elem_vert), ], dtype=object)
        operate_ = operation_(r, gap, ends_ind)

        #elbav = np.empty([len(elem_vert), ], dtype=object)
        #con_num = 0

        for i, j in enumerate(elem_vert):                        # loop for each section (cell or region) of a mesh
            in_bool = inbox_(contact_poss, j)                    # getting boolean array for points within that section
            elaps[i] = np.sum(operate_[in_bool])                 # performing some calculations on that points and get the sum of them for each section
            operate_ = operate_[np.invert(in_bool)]              # slicing the arrays by deleting the points on which the calculations were performed to speed-up the code in next loops                        
            contact_poss = contact_poss[np.invert(in_bool)]      # as above

            #con_num  = sum(inbox_(contact_poss, j))
            #inba_bool = inbox_(pos, j)
            #elbav[i] = 4 * np.pi * np.sum(np.power(r[inba_bool], 3)) / 3
            #pos = pos[np.invert(inba_bool)]
            #r = r[np.invert(inba_bool)]

        return elaps


r = np.load('a.npy')
pos = np.load('b.npy')
gap = np.load('c.npy')
ends_ind = np.load('d.npy')
elem_vert = np.load('e.npy')
contact_poss = np.load('f.npy')

elapses(r, pos, gap, ends_ind, elem_vert, contact_poss)

# a --------r-------> parameter corresponding to each coordinate (point); here radius                                  (23605,)     <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.float64'>
# b -------pos------> coordinates of the points                                                                        (23605, 3)   <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.float64'>
# c -------gap------> if we consider points as spheres by that radii [r], it is maximum length for spheres' over-lap   (103832,)    <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.float64'>
# d ----ends_ind----> indices for each over-laped spheres                                                              (103832, 2)  <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.int64'>
# e ---elem_vert----> vertices of the mesh's sections or cells                                                         (2000, 8, 3) <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.float64'>
# f --contact_poss--> a coordinate between the paired spheres                                                          (103832, 3)  <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.ndarray'> <class 'numpy.float64'>

此代碼將被另一個具有大資料輸入的代碼頻繁呼叫。所以,加速這段代碼是必不可少的。我曾嘗試使用JAXNumba庫中的jit裝飾器來加速代碼,但我無法正確使用它來使代碼更好。我已經在 Colab 上測驗了代碼(對于回圈數為 20、250 和 2000 的 3 個資料集)的速度,結果是:

11  (ms), 47   (ms), 6.62 (s)       (per loop) <-- without the commented code lines in the code
137 (ms), 1.66 (s) , 4    (m)       (per loop) <-- with activating the commented code lines in the code  

這段代碼的作用是在一個范圍內找到一些坐標,然后對它們進行一些計算。
對于可以顯著加速此代碼的任何答案(我相信它可以),我將不勝感激。此外,對于通過更改(替代)使用的 NumPy 方法和……或數學運算的撰寫方法來加速代碼的任何有經驗的建議,我將不勝感激。

筆記:

  • 建議的答案必須可由 python 版本 2 執行(適用于版本 2 和 3 非常好)
  • 代碼中注釋的代碼行對于主要目標是不必要的,只是為了進一步評估而撰寫的。任何用建議的答案處理這些行的建議都值得贊賞(不需要)。

測驗資料集:
小資料集:https : //drive.google.com/file/d/1CswjyoqS8ogLmLQa_oNTOj221chDcbK8/view?usp=sharing
medium data set:https : //drive.google.com/file/d/14RJ0Ackx88NzQWloops5FagzuNQYDSrh/ view?usp=sharing
大資料集:https : //drive.google.com/file/d/1dJnXpb3HiAGcRC9PPTwui9joNcij4E_E/view?usp=sharing

uj5u.com熱心網友回復:

首先,可以改進演算法以提高效率事實上,一個多邊形可以直接分配給每個點。這就像按多邊形對點進行分類分類完成后,您可以按鍵執行一個/多個縮減,其中鍵是多邊形 ID。

這個新演算法包括:

  • 計算多邊形的所有邊界框;
  • 按多邊形對點進行分類;
  • 按鍵執行縮減(其中鍵是多邊形 ID)。

這種方法比迭代每個多邊形的所有點并過濾屬性陣列(例如operate_contact_poss)更有效。事實上,過濾是一項昂貴的操作,因為它需要完全讀取目標陣列(可能不適合 CPU 快取)然后寫回。更不用說這個操作需要分配/洗掉一個臨時陣列,如果它不是就地執行,并且該操作無法從大多數 x86/x86-64 平臺上的SIMD 指令實作中受益(因為它需要新的 AVX-512指令系統)。并行化也更困難,因為過濾步驟太快,執行緒無法使用,但步驟需要按順序完成。

關于演算法的實作,Numba可以用來加速整體計算。使用 Numba 的主要好處是大大減少了在當前實作中由 Numpy 創建的昂貴臨時陣列的數量請注意,您可以為 Numba指定函式型別,以便它可以在定義時編譯函式。斷言可用于使代碼更健壯,并幫助編譯器了解給定維度的大小,從而生成明顯更快的代碼(Numba 的 JIT 編譯器可以展開回圈)。三元運算子可以幫助 JIT 編譯器生成更快的無分支 程式。

請注意,可以使用多個執行緒輕松并行化分類然而,需要對常量傳播非常小心,因為一些關鍵常量(如作業陣列和斷言的形狀)往往不會傳播到執行緒執行的代碼,而傳播對于優化熱回圈(例如矢量化,展開)。另請注意,在具有多個內核(從 10 毫秒到 0.1 毫秒)的機器上創建多個執行緒可能會很昂貴。因此,僅在大輸入資料上使用并行實作通常更好。

這是最終的實作(同時使用 Python2 和 Python3):

@nb.njit('float64[::1](float64[::1], float64[::1], int64[:,::1])')
def operation_(r, gap, ends_ind):
    """ calculation formula which is applied on the points specified by findMatchingPolygons_ function """

    nPoints = ends_ind.shape[0]
    assert ends_ind.shape[1] == 2
    assert gap.size == nPoints

    formula = np.empty(nPoints, dtype=np.float64)

    for i in range(nPoints):
        ind0, ind1 = ends_ind[i]
        r0, r1 = r[ind0], r[ind1]
        r_sub = r0 - r1
        r_add = r0   r1
        cur_gap = gap[i]
        paired_cent_dis = r_add   cur_gap
        formula[i] = (cur_gap**2 * (paired_cent_dis**2   5 * paired_cent_dis * r_add - 7 * r_sub**2)) / (3 * paired_cent_dis)

    return formula


# Use `parallel=True` for a parallel implementation
@nb.njit('int32[::1](float64[:,::1], float64[:,:,::1])')
def findMatchingPolygons_(points, polygons):
    """ Attribute to all point a region """

    nPolygons = polygons.shape[0]
    nPolygonPoints = polygons.shape[1]
    nPoints = points.shape[0]
    assert points.shape[1] == 3
    assert polygons.shape[2] == 3

    # Compute the bounding boxes of all polygons

    ll = np.empty((nPolygons, 3), dtype=np.float64)
    ur = np.empty((nPolygons, 3), dtype=np.float64)

    for i in range(nPolygons):
        ll_x, ll_y, ll_z = polygons[i, 0]
        ur_x, ur_y, ur_z = polygons[i, 0]

        for j in range(1, nPolygonPoints):
            x, y, z = polygons[i, j]
            ll_x = x if x<ll_x else ll_x
            ll_y = y if y<ll_y else ll_y
            ll_z = z if z<ll_z else ll_z
            ur_x = x if x>ur_x else ur_x
            ur_y = y if y>ur_y else ur_y
            ur_z = z if z>ur_z else ur_z

        ll[i] = ll_x, ll_y, ll_z
        ur[i] = ur_x, ur_y, ur_z

    # Find for each point its corresponding polygon

    pointPolygonId = np.empty(nPoints, dtype=np.int32)

    # Use `nb.prange(nPoints)` for a parallel implementation
    for i in range(nPoints):
        x, y, z = points[i, 0], points[i, 1], points[i, 2]
        pointPolygonId[i] = -1

        for j in range(polygons.shape[0]):
            if ll[j, 0] <= x < ur[j, 0] and ll[j, 1] <= y < ur[j, 1] and ll[j, 2] <= z < ur[j, 2]:
                pointPolygonId[i] = j
                break

    return pointPolygonId


@nb.njit('float64[::1](float64[:,:,::1], float64[:,::1], float64[::1])')
def computeSections_(elem_vert, contact_poss, operate_):
    nPolygons = elem_vert.shape[0]
    elaps = np.zeros(nPolygons, dtype=np.float64)

    pointPolygonId = findMatchingPolygons_(contact_poss, elem_vert)

    for i, polygonId in enumerate(pointPolygonId):
        if polygonId >= 0:
            elaps[polygonId]  = operate_[i]

    return elaps


def elapses(r, pos, gap, ends_ind, elem_vert, contact_poss):
    if len(gap) > 0:
        operate_ = operation_(r, gap, ends_ind)
        return computeSections_(elem_vert, contact_poss, operate_)


r = np.load('a.npy')
pos = np.load('b.npy')
gap = np.load('c.npy')
ends_ind = np.load('d.npy')
elem_vert = np.load('e.npy')
contact_poss = np.load('f.npy')

elapses(r, pos, gap, ends_ind, elem_vert, contact_poss)

這是在舊的 2 核機器 (i7-3520M) 上的結果:

Small dataset:
 - Original version:                5.53 ms
 - Proposed version (sequential):   0.22 ms  (x25)
 - Proposed version (parallel):     0.20 ms  (x27)

Medium dataset:
 - Original version:               53.40 ms
 - Proposed version (sequential):   1.24 ms  (x43)
 - Proposed version (parallel):     0.62 ms  (x86)

Big dataset:
 - Original version:               5742 ms
 - Proposed version (sequential):   144 ms   (x40)
 - Proposed version (parallel):      67 ms   (x86)

Thus, the proposed implementation is up to 86 times faster than the original one.

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qiye/399411.html

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