作者：Maarten、Roman、Jovan

編譯：1+1=6

1、前言

使用Python進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析變得越來越流行。這一切都要從NumPy開始，它也是今天我們在推文介紹工具背后支持的模塊之一。

2、Vaex

Vaex是一種更快、更安全、總體上更方便的方法，可以使用幾乎任意大小的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)研究分析，只要它能夠適用于筆記本電腦、臺式機(jī)或服務(wù)器的硬盤驅(qū)動器。

https://vaex.readthedocs.io/en/latest/

Vaex是一個開源的DataFrame庫，它可以對表格數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化、探索、分析，甚至機(jī)器學(xué)習(xí)，這些數(shù)據(jù)集和你的硬盤驅(qū)動器一樣大。它可以在一個n維網(wǎng)格上每秒計算超過10億（10^9）個對象的平均值、和、計數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計信息。可視化使用直方圖、使用直方圖、密度圖和3D立體渲染進(jìn)行可視化。為此，Vaex采用了內(nèi)存映射、高效的外核算法和延遲計算等概念來獲得最佳性能（不浪費(fèi)內(nèi)存）。所有這些都封裝在一個類似Pandas的API中。

GitHub：https://github.com/vaexio/vaex

3、Vaex vs Dask、Pandas、Spark

Vaex與Dask不同，但與Dask DataFrames相似，后者是在Pandas DataFrame之上構(gòu)建的。這意味著Dask繼承了Pandas issues，比如數(shù)據(jù)必須完全裝載到RAM中才能處理的要求，但Vaex并非如此。

Vaex不生成DataFrame副本，所以它可以在內(nèi)存較少的機(jī)器上處理更大的DataFrame。

Vaex和Dask都使用延遲處理。唯一的區(qū)別是，Vaex在需要的時候才計算字段，而Dask需要顯式地使用compute函數(shù)。

數(shù)據(jù)需要采用HDF5或Apache Arrow格式才能充分利用Vaex。

1億行的數(shù)據(jù)集，對Pandas和Vaex執(zhí)行相同的操作：

Vaex在我們的四核筆記本電腦上的運(yùn)行速度可提高約190倍，在AWS h1.x8大型機(jī)器上，甚至可以提高1000倍！最慢的操作是正則表達(dá)式。正則表達(dá)式是CPU密集型的，這意味著大部分時間花在操作上，而不是花在它們周圍的所有bookkeeping上。

Apache Spark是JVM/Java生態(tài)系統(tǒng)中的一個庫，用于處理用于數(shù)據(jù)科學(xué)的大型數(shù)據(jù)集。如果Pandas不能處理特定的數(shù)據(jù)集，人們通常求助于PySpark。如果你的工作是生成結(jié)果，而不是在本地甚至在集群中設(shè)置Spark，那么這是一個額外的障礙。因此我們也對Spark進(jìn)行了同樣的基準(zhǔn)操作：

Spark的性能比Pandas更好，這是由于多線程的緣故。但vaex比Spark做得好得多。Spark以每秒1000萬串的速度運(yùn)行（并且會隨著內(nèi)核和機(jī)器的數(shù)量增加）。Vaex每秒可以處理1億條字符串，并且會隨著內(nèi)核數(shù)量的增加而增加。在32核的機(jī)器上，我們每秒鐘處理10億個字符串。

4、Vaex真的很快！

流程都一樣：

pip install vaex

讓我們創(chuàng)建一個DataFrame，它有100萬行和1000列：

import vaex import pandas as pd import numpy as np n_rows = 1000000 n_cols = 1000 df = pd.DataFrame(np.random.randint(0, 100, size=(n_rows, n_cols)), columns=['col%d' % i for i in range(n_cols)]) df.head()

這個DataFrame占用了多少內(nèi)存呢？

df.info(memory_usage='deep')

把它保存到磁盤，這樣我們以后可以用Vaex讀取它：

file_path = 'big_file.csv' df.to_csv(file_path, index=False)

直接通過Vaex或直接讀取CSV，這速度將類似于Pandas。在我們的電腦上，兩者都需要大約85秒。

我們需要將CSV轉(zhuǎn)換為HDF5，才能看到Vaex的優(yōu)點(diǎn)。

事實(shí)上，Vaex只受可用磁盤空間的限制。如果你的數(shù)據(jù)不是內(nèi)存映射文件格式（例如CSV、JSON），則可以通過與Vaex結(jié)合Pandas I/O輕松地轉(zhuǎn)換它。

我們可以將它轉(zhuǎn)換為HDF5并用Vaex處理它！

dv = vaex.from_csv(file_path, convert=True, chunk_size=5_000_000)

上面的函數(shù)將自動創(chuàng)建一個HDF5文件并將其保存到硬盤。

檢查一下dv類型：

type(dv) # output vaex.hdf5.dataset.Hdf5MemoryMapped

現(xiàn)在，讓我們用Vaex處理7.5GB的數(shù)據(jù)集——我們不需要讀取它，因?yàn)槲覀冊谏厦娴膁v變量中已經(jīng)有了它。這里只是為了測試速度。

dv = vaex.open('big_file.csv.hdf5')

Vaex需要不到1秒的時間來執(zhí)行上面的命令。但Vaex實(shí)際上并沒有讀取文件，因?yàn)檠舆t加載。

讓我們通過計算col1的和來讀取它。

suma = dv.col1.sum() suma # array(49486599)

Vaex用不到1秒的時間計算好了結(jié)果。這是使用了內(nèi)存映射。

5、虛擬列

Vaex在添加新列時創(chuàng)建一個虛擬列，虛列的行為與普通列一樣，但是它們不占用內(nèi)存。這是因?yàn)閂aex只記得定義它們的表達(dá)式，而不預(yù)先計算值。這些列僅在必要時才被延遲計算，從而保持較低的內(nèi)存使用率。

dv['col1_plus_col2'] = dv.col1 + dv.col2 dv['col1_plus_col2']

Vaex在過濾數(shù)據(jù)時不會創(chuàng)建DataFrame副本，這是因?yàn)樗鼘儆谝粋€淺拷貝（Shallow Copy）。在創(chuàng)建過濾后的數(shù)據(jù)流時，Vaex會創(chuàng)建一個二進(jìn)制掩碼，然后將其應(yīng)用于原始數(shù)據(jù)，而不需要進(jìn)行復(fù)制。這類過濾器的內(nèi)存成本很低：

過濾10億行數(shù)據(jù)流需要大約1.2 GB的RAM。

與其他“經(jīng)典”工具相比，這是可以忽略不計的，只需要100GB就可以讀取數(shù)據(jù)，而對于過濾后的dataframe，則需要另一個100GB。

dvv = dv[dv.col1 > 90]

6、高性能聚合數(shù)據(jù)

列如value_counts、groupby、unique和各種字符串操作都使用了快速高效的算法，這些算法都是在C++底層實(shí)現(xiàn)的。它們都以非核心方式工作，這意味著你可以處理比RAM更大的數(shù)據(jù)，并使用處理器的所有可用內(nèi)核。例如，對超過10億行執(zhí)行value_counts操作只需1秒！

有了Vaex，你可以通過一個操作來完成，并且只需要一次數(shù)據(jù)傳遞！下面的group-by示例超過11億行，只需要30秒。

df.groupby(by='vendor_id', agg={'count': vaex.agg.count(),'count_fare_n_pass_lt3': vaex.agg.count(selection='passenger_count<3'),'count_fare_n_pass_ge3': vaex.agg.count(selection='passenger_count>=3'),'mean_fare_n_pass_lt3': vaex.agg.mean('fare_amount', selection='passenger_count<3'),'mean_fare_n_pass_ge3': vaex.agg.mean('fare_amount', selection='passenger_count>=3'),})

7、即時編譯

只要虛擬列只使用Numpy或純Python操作定義，Vaex就可以通過jitting加速它的計算，或者通過Numba或Pythran進(jìn)行即時編譯。如果你的機(jī)器有支持CUDA的NVIDIA顯卡，Vaex 也支持通過CUDA加速。這對于加速計算開銷很大的虛列的計算非常有用。

考慮下面的例子。我們已經(jīng)定義了兩個地理位置之間的弧距離，這個計算涉及到相當(dāng)多的代數(shù)和三角學(xué)知識。平均值計算將強(qiáng)制執(zhí)行這個計算消耗相當(dāng)大的虛列。當(dāng)使用Numpy執(zhí)行時，只需要30秒（11億行）。當(dāng)我們對numba預(yù)編譯表達(dá)式執(zhí)行同樣的操作時，我們的執(zhí)行時間大約快了2.5倍，至少在我們的測試電腦上是這樣。如果有一個英偉達(dá)顯卡，可以嘗試一下！

def arc_distance(theta_1, phi_1, theta_2, phi_2):temp = (np.sin((theta_2-theta_1)/2*np.pi/180)**2+ np.cos(theta_1*np.pi/180)*np.cos(theta_2*np.pi/180) * np.sin((phi_2-phi_1)/2*np.pi/180)**2)distance = 2 * np.arctan2(np.sqrt(temp), np.sqrt(1-temp))return distance * 3958.8df['arc_distance_numpy'] = arc_distance(df.pickup_longitude, df.pickup_latitude, df.dropoff_longitude, df.dropoff_latitude)df['arc_distance_numba'] = arc_distance(df.pickup_longitude, df.pickup_latitude, df.dropoff_longitude, df.dropoff_latitude).jit_numba()mean_numpy = df.arc_distance_numpy.mean(progress='widget') mean_numba = df.arc_distance_numba.mean(progress='widget') print(f'Mean arc distance comuted with numpy: {mean_numpy:.5f}') print(f'Mean arc distance comuted with numba: {mean_numba:.5f}')

8、Selections

Vaex實(shí)現(xiàn)了一個叫做Selections的概念用來選擇數(shù)據(jù)。例如：當(dāng)你希望通過計算數(shù)據(jù)不同部分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)而不是每次都創(chuàng)建一個新的引用DataFrame來分析數(shù)據(jù)時，這是非常有用的。使用選擇的真正強(qiáng)大之處在于：我們只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次傳遞，就可以計算出多次選擇的統(tǒng)計量。

select_n_passengers_lt3 = df.passenger_count < 3 select_n_passengers_ge3 = df.passenger_count >= 3df.fare_amount.mean(selection=[None, select_n_passengers_lt3, select_n_passengers_ge3], progress='widget')

這對于制作各種可視化圖形也很有用。例如，我們可以使用.count方法在不同的選擇上創(chuàng)建兩個直方圖，只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次傳遞。非常有效！

binned_dist_npass_lt3, binned_dist_npass_ge3 = df.count(binby=['total_amount'],limits=[5, 50],shape=64,selection=[select_n_passengers_lt3, select_n_passengers_ge3], progress='widget')xvalues = np.linspace(5, 50, 64) plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(xvalues, binned_dist_npass_lt3, drawstyle="steps-pre", label='num passengers < 3', lw=3) plt.plot(xvalues, binned_dist_npass_ge3, drawstyle="steps-pre", label='num passengers >=3', lw=3) plt.legend(fontsize=14) plt.xlabel('Total amount [$]', fontsize=14) plt.ylabel('Number of trips', fontsize=14) plt.show()

9、繪圖

Vaex將數(shù)據(jù)繪制成圖表的速度也很快。它具有特殊的繪圖函數(shù)plot1d、plot2d和plot2d_contour。

dv.plot1d(dv.col2, figsize=(14, 7))

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總結(jié)

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