Python 性能优化：NumExpr + Numba + CuPy

一、简介

numexpr（全称：numpy expression）：用于在 NumPy 表达式上快速执行元素级运算的 Python 加速库。

• 优势：将表达式转换为高效的机器码，然后在内部优化执行并行计算。
  • 利用多核处理器并行计算：在计算表达式时并行执行操作，从而加快计算速度。
  • 基于缓存的内存管理策略：在计算过程中，避免创建临时数组来减少内存占用。
• 局限性：只有在处理大型数据集时，才会比标准的 NumPy 表达式速度更快；
• 适用范围：只适用于 NumPy 表达式；

表达式：是由变量、运算符和函数组成的符号序列，用于表示计算过程或计算结果。如："(a**2 + b**2) / (a + b + 1e-10)"

• 变量：表示数据或值的符号，可以是数值、字符串、布尔值等。
• 运算符：如：算术运算符、逻辑运算符、比较运算符等。Python运算符
• 函数：如：数学函数、三角函数等。Python函数

二、安装

• pip安装：pip install numexpr
• conda安装：conda install numexpr

三、函数详解

"""#####################################################################################################################
# 函数功能：用于在 NumPy 表达式上快速执行元素级运算的 Python 加速库。
# 函数说明：numexpr.evaluate(expression, local_dict=None, global_dict=None, out=None, order='K', casting='safe', **kwargs)
# 参数说明：
#         expression (str)：               要评估的数学表达式。
#         local_dict (dict, optional)：    本地命名空间中的变量字典。
#         global_dict (dict, optional)：   全局命名空间中的变量字典。
#         out (ndarray, optional)：        结果存储的数组。若提供，则结果存储在该数组中。
#         order (str, optional)：          数组存储顺序。如：'C'（行优先）、'F'（列优先）、'K'（与数组的存储顺序相同）。
#         casting (str, optional)：        指定如何处理数据类型转换，如：'no'（不允许转换）、'equiv'（仅当转换安全）、'safe'（只允许安全转换）。
#         **kwargs：其他参数传递给底层的 numexpr 引擎。
# 返回参数：
#         out (ndarray)：                  若提供，则返回结果数组；否则返回一个新的数组。
#####################################################################################################################"""

四、性能评估

NumExpr简介

import time
import numpy as np
import numexpr
import matplotlib.pyplot as plt


def compare_performance():
    numexpr_times = []
    numpy_times = []

    ns = range(10, 500, 10)
    for n in ns:
        # 生成表达式
        np.random.seed(0)
        a = np.random.rand(n, n, n)
        b = np.random.rand(n, n, n)
        expression = "(a**2 + b**2) / (a + b + 1e-10)"

        # 使用numexpr计算
        start_time = time.time()
        x_numexpr = numexpr.evaluate(expression)
        numexpr_time = time.time() - start_time
        numexpr_times.append(numexpr_time)

        # 使用numpy计算
        start_time = time.time()
        x_numpy = (a ** 2 + b ** 2) / (a + b + 1e-10)
        numpy_time = time.time() - start_time
        numpy_times.append(numpy_time)

        print(f"n={n}: numexpr_time={numexpr_time:.5f} seconds, numpy_time={numpy_time:.5f} seconds")

    plt.figure(figsize=(10, 6))
    plt.plot(ns, numexpr_times, marker='o', label='numexpr')
    plt.plot(ns, numpy_times, marker='o', label='numpy')
    plt.title('Performance Comparison of numexpr vs numpy')
    plt.xlabel('Three-dimensional array [n, n, n]')
    plt.ylabel('Time (seconds)')
    plt.legend()
    plt.grid(True)
    plt.show()


if __name__ == "__main__":
    compare_performance()

不循环调用：三维数组 = [1000, 1000, 1000]

import time
import numpy as np

# 创建大型数据集
np.random.seed(0)
n = 1000
a = np.random.rand(n, n, n)  # 三维数组:100x100x100
b = np.random.rand(n, n, n)  # 三维数组:100x100x100
expression = "(a**2 + b**2) / (a + b + 1e-10)"

# （1）使用 numexpr 评估表达式
import numexpr
start_time = time.time()
x_numexpr = numexpr.evaluate(expression)
print(f"numexpr时耗: {time.time() - start_time:.5f} 秒")

# （2）直接使用 Python 原生操作计算
start_time = time.time()
x_python = (a ** 2 + b ** 2) / (a + b + 1e-10)
print(f"Python 时耗: {time.time() - start_time:.5f} 秒")

print(f"结果是否一致: {np.allclose(x_numexpr, x_python)}")

"""
numexpr时耗: 0.97169 秒
Python 时耗: 9.74043 秒
两种方法计算结果是否一致: True
"""