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提升R語(yǔ)言運(yùn)算效率的11個(gè)實(shí)用方法
2016-05-17
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提升R語(yǔ)言運(yùn)算效率的11個(gè)實(shí)用方法

眾所周知，當(dāng)我們利用R語(yǔ)言處理大型數(shù)據(jù)集時(shí)，for循環(huán)語(yǔ)句的運(yùn)算效率非常低。有許多種方法可以提升你的代碼運(yùn)算效率，但或許你更想了解運(yùn)算效率能得到多大的提升。本文將介紹幾種適用于大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的方法，包括簡(jiǎn)單的邏輯調(diào)整設(shè)計(jì)、并行處理和Rcpp的運(yùn)用，利用這些方法你可以輕松地處理1億行以上的數(shù)據(jù)集。

讓我們嘗試提升往數(shù)據(jù)框中添加一個(gè)新變量過程(該過程中包含循環(huán)和判斷語(yǔ)句)的運(yùn)算效率。下面的代碼輸出原始數(shù)據(jù)框：

# Create the data frame

col1 <- runif (12^5, 0, 2)

col2 <- rnorm (12^5, 0, 2)

col3 <- rpois (12^5, 3)

col4 <- rchisq (12^5, 2)

df <- data.frame (col1, col2, col3, col4)

逐行判斷該數(shù)據(jù)框(df)的總和是否大于4，如果該條件滿足，則對(duì)應(yīng)的新變量數(shù)值為’greaterthan4’，否則賦值為’lesserthan4’。

本文中所有的計(jì)算都在配置了2.6Ghz處理器和8GB內(nèi)存的MAC OS X中運(yùn)行。

1.向量化處理和預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

循環(huán)運(yùn)算前，記得預(yù)先設(shè)置好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出變量的長(zhǎng)度和類型，千萬(wàn)別在循環(huán)過程中漸進(jìn)性地增加數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。接下來，我們將探究向量化處理是如何提高處理數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度。


2.將條件語(yǔ)句的判斷條件移至循環(huán)外

將條件判斷語(yǔ)句移至循環(huán)外可以提升代碼的運(yùn)算速度，接下來本文將利用包含100,000行數(shù)據(jù)至1,000,000行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試：


3.只在條件語(yǔ)句為真時(shí)執(zhí)行循環(huán)過程

另一種優(yōu)化方法是預(yù)先將輸出變量賦值為條件語(yǔ)句不滿足時(shí)的取值，然后只在條件語(yǔ)句為真時(shí)執(zhí)行循環(huán)過程。此時(shí)，運(yùn)算速度的提升程度取決于條件狀態(tài)中真值的比例。

本部分的測(cè)試將和case(2)部分進(jìn)行比較，和預(yù)想的結(jié)果一致，該方法確實(shí)提升了運(yùn)算效率。


4.盡可能地使用 ifelse()語(yǔ)句

利用ifelse()語(yǔ)句可以使你的代碼更加簡(jiǎn)便。ifelse()的句法格式類似于if()函數(shù)，但其運(yùn)算速度卻有了巨大的提升。即使是在沒有預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)且沒有簡(jiǎn)化條件語(yǔ)句的情況下，其運(yùn)算效率仍高于上述的兩種方法。


5.使用 which()語(yǔ)句

利用which()語(yǔ)句來篩選數(shù)據(jù)集，我們可以達(dá)到Rcpp三分之一的運(yùn)算速率。


6.利用apply族函數(shù)來替代for循環(huán)語(yǔ)句

本部分將利用apply()函數(shù)來計(jì)算上文所提到的案例，并將其與向量化的循環(huán)語(yǔ)句進(jìn)行對(duì)比。該方法的運(yùn)算效率優(yōu)于原始方法，但劣于ifelse()和將條件語(yǔ)句置于循環(huán)外端的方法。該方法非常有用，但是當(dāng)你面對(duì)復(fù)雜的情形時(shí)，你需要靈活運(yùn)用該函數(shù)。


7.利用compiler包中的字節(jié)碼編譯函數(shù)cmpfun()

這可能不是說明字節(jié)碼編譯有效性的最好例子，但是對(duì)于更復(fù)雜的函數(shù)而言，字節(jié)碼編譯將會(huì)表現(xiàn)地十分優(yōu)異，因此我們應(yīng)當(dāng)了解下該函數(shù)。


8.利用Rcpp

截至目前，我們已經(jīng)測(cè)試了好幾種提升運(yùn)算效率的方法，其中最佳的方法是利用ifelse()函數(shù)。如果我們將數(shù)據(jù)量增大十倍，運(yùn)算效率將會(huì)變成啥樣的呢?接下來我們將利用Rcpp來實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算過程，并將其與ifelse()進(jìn)行比較。

下面是利用C++語(yǔ)言編寫的函數(shù)代碼，將其保存為“MyFunc.cpp”并利用sourceCpp進(jìn)行調(diào)用。


9.利用并行運(yùn)算

并行運(yùn)算的代碼：


10.盡早地移除變量并恢復(fù)內(nèi)存容量

在進(jìn)行冗長(zhǎng)的循環(huán)計(jì)算前，盡早地將不需要的變量移除掉。在每次循環(huán)迭代運(yùn)算結(jié)束時(shí)利用gc()函數(shù)恢復(fù)內(nèi)存也可以提升運(yùn)算速率。

11.利用內(nèi)存較小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

data.table()是一個(gè)很好的例子，因?yàn)樗梢詼p少數(shù)據(jù)的內(nèi)存，這有助于加快運(yùn)算速率。


總結(jié)

方法：速度， nrow(df)/time_taken = n 行每秒

原始方法：1X, 856.2255行每秒(正則化為1)

向量化方法：738X, 631578行每秒

只考慮真值情況：1002X，857142.9行每秒

ifelse：1752X，1500000行每秒

which：8806X，7540364行每秒

Rcpp：13476X，11538462行每秒


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') } function initGt() { var handler = function (captchaObj) { captchaObj.appendTo('#captcha'); captchaObj.onReady(function () { $("#wait").hide(); }).onSuccess(function(){ $('.getcheckcode').removeClass('dis'); $('.getcheckcode').trigger('click'); }); window.captchaObj = captchaObj; }; $('#captcha').show(); $.ajax({ url: "/login/gtstart?t=" + (new Date()).getTime(), // 加隨機(jī)數(shù)防止緩存 type: "get", dataType: "json", success: function (data) { $('#text').hide(); $('#wait').show(); // 調(diào)用 initGeetest 進(jìn)行初始化 // 參數(shù)1：配置參數(shù) // 參數(shù)2：回調(diào)，回調(diào)的第一個(gè)參數(shù)驗(yàn)證碼對(duì)象，之后可以使用它調(diào)用相應(yīng)的接口 initGeetest({ // 以下 4 個(gè)配置參數(shù)為必須，不能缺少 gt: data.gt, challenge: data.challenge, offline: !data.success, // 表示用戶后臺(tái)檢測(cè)極驗(yàn)服務(wù)器是否宕機(jī) new_captcha: data.new_captcha, // 用于宕機(jī)時(shí)表示是新驗(yàn)證碼的宕機(jī) product: "float", // 產(chǎn)品形式，包括：float，popup width: "280px", https: true // 更多配置參數(shù)說明請(qǐng)參見：http://docs.geetest.com/install/client/web-front/ }, handler); } }); } function codeCutdown() { if(_wait == 0){ //倒計(jì)時(shí)完成 $(".getcheckcode").removeClass('dis').html("重新獲取"); }else{ $(".getcheckcode").addClass('dis').html("重新獲取("+_wait+"s)"); _wait--; setTimeout(function () { codeCutdown(); },1000); } } function inputValidate(ele,telInput) { var oInput = ele; var inputVal = oInput.val(); var oType = ele.attr('data-type'); var oEtag = $('#etag').val(); var oErr = oInput.closest('.form_box').next('.err_txt'); var empTxt = '請(qǐng)輸入'+oInput.attr('placeholder')+'！'; var errTxt = '請(qǐng)輸入正確的'+oInput.attr('placeholder')+'！'; var pattern; if(inputVal==""){ if(!telInput){ errFun(oErr,empTxt); } return false; }else { switch (oType){ case 'login_mobile': pattern = /^1[3456789]\d{9}$/; if(inputVal.length==11) { $.ajax({ url: '/login/checkmobile', type: "post", dataType: "json", data: { mobile: inputVal, etag: oEtag, page_ur: window.location.href, page_referer: document.referrer }, success: function (data) { } }); } break; case 'login_yzm': pattern = /^\d{6}$/; break; } if(oType=='login_mobile'){ } if(!!validateFun(pattern,inputVal)){ errFun(oErr,'') if(telInput){ $('.getcheckcode').removeClass('dis'); } }else { if(!telInput) { errFun(oErr, errTxt); }else { $('.getcheckcode').addClass('dis'); } return false; } } return true; } function errFun(obj,msg) { obj.html(msg); if(msg==''){ $('.login_submit').removeClass('dis'); }else { $('.login_submit').addClass('dis'); } } function validateFun(pat,val) { return pat.test(val); }