Python?Vaex如何實(shí)現(xiàn)快速分析100G大數(shù)據(jù)量

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pandas處理大數(shù)據(jù)的限制

現(xiàn)在的數(shù)據(jù)科學(xué)比賽提供的數(shù)據(jù)量越來越大，動不動幾十個G，甚至上百G，這就要考驗(yàn)機(jī)器性能和數(shù)據(jù)處理能力。

Python中的pandas是大家常用的數(shù)據(jù)處理工具，能應(yīng)付較大數(shù)據(jù)集（千萬行級別），但當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到十億百億行級別，pandas處理起來就有點(diǎn)力不從心了，可以說非常的慢。

這里面會有電腦內(nèi)存等性能的因素，但pandas本身的數(shù)據(jù)處理機(jī)制（依賴內(nèi)存）也限制了它處理大數(shù)據(jù)的能力。

當(dāng)然pandas可以通過chunk分批讀取數(shù)據(jù)，但是這樣的劣勢在于數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，而且每一步分析都會消耗內(nèi)存和時間。

下面用pandas讀取3.7個G的數(shù)據(jù)集（hdf5格式），該數(shù)據(jù)集共有4列、1億行，并且計算第一行的平均值。我的電腦CPU是i7-8550U，內(nèi)存8G，看看這個加載和計算過程需要花費(fèi)多少時間。

數(shù)據(jù)集：

使用pandas讀取并計算：

看上面的過程，加載數(shù)據(jù)用了15秒，平均值計算用了3.5秒，總共18.5秒。

這里用的是hdf5文件，hdf5是一種文件存儲格式，相比較csv更適合存儲大數(shù)據(jù)量，壓縮程度高，而且讀取、寫入也更快。

換上今天的主角vaex，讀取同樣的數(shù)據(jù)，做同樣的平均值計算，需要多少時間呢？

使用vaex讀取并計算：

文件讀取用了9ms，可以忽略不計，平均值計算用了1s，總共1s。

同樣是讀取1億行的hdfs數(shù)據(jù)集，為什么pandas需要十幾秒，而vaex耗費(fèi)時間接近于0呢？

這里主要是因?yàn)閜andas把數(shù)據(jù)讀取到了內(nèi)存中，然后用于處理和計算。而vaex只會對數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存映射，而不是真的讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，這個和spark的懶加載是一樣的，在使用的時候 才會去加載，聲明的時候不加載。

所以說不管加載多大的數(shù)據(jù)，10GB、100GB...對vaex來說都是瞬間搞定。美中不足的是，vaex的懶加載只支持HDF5, Apache Arrow,Parquet, FITS等文件，不支持csv等文本文件，因?yàn)槲谋疚募]辦法進(jìn)行內(nèi)存映射。

可能有的小伙伴不太理解內(nèi)存映射，下面放一段解釋，具體要弄清楚還得自行摸索：

內(nèi)存映射是指硬盤上文件的位置與進(jìn)程邏輯地址空間中一塊大小相同的區(qū)域之間的一一對應(yīng)。這種對應(yīng)關(guān)系純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是進(jìn)程的邏輯地址空間本身就是不存在的。在內(nèi)存映射的過程中，并沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)拷貝，文件沒有被載入內(nèi)存，只是邏輯上被放入了內(nèi)存，具體到代碼，就是建立并初始化了相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct address_space）。

什么是vaex

前面對比了vaex和pandas處理大數(shù)據(jù)的速度，vaex優(yōu)勢明顯。雖然能力出眾，不比pandas家喻戶曉，vaex還是個剛出圈的新人。

vaex同樣是基于python的數(shù)據(jù)處理第三方庫，使用pip就可以安裝。

官網(wǎng)對vaex的介紹可以總結(jié)為三點(diǎn)：

• vaex是一個用處理、展示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表工具，類似pandas；

• vaex采取內(nèi)存映射、惰性計算，不占用內(nèi)存，適合處理大數(shù)據(jù)；

• vaex可以在百億級數(shù)據(jù)集上進(jìn)行秒級的統(tǒng)計分析和可視化展示；

vaex的優(yōu)勢在于：

• 性能：處理海量數(shù)據(jù)，109 行/秒；

• 惰性：快速計算，不占用內(nèi)存；

• 零內(nèi)存復(fù)制：在進(jìn)行過濾/轉(zhuǎn)換/計算時，不復(fù)制內(nèi)存，在需要時進(jìn)行流式傳輸；

• 可視化：內(nèi)含可視化組件；

• API：類似pandas，擁有豐富的數(shù)據(jù)處理和計算函數(shù)；

• 可交互：配合Jupyter notebook使用，靈活的交互可視化；

安裝vaex

使用pip或者conda進(jìn)行安裝：

讀取數(shù)據(jù)

vaex支持讀取hdf5、csv、parquet等文件，使用read方法。hdf5可以惰性讀取，而csv只能讀到內(nèi)存中。

vaex數(shù)據(jù)讀取函數(shù)：

數(shù)據(jù)處理

有時候我們需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種各樣的轉(zhuǎn)換、篩選、計算等，pandas的每一步處理都會消耗內(nèi)存，而且時間成本高。除非說使用鏈?zhǔn)教幚恚菢舆^程就很不清晰。

vaex則全過程都是零內(nèi)存。因?yàn)樗奶幚磉^程僅僅產(chǎn)生expression（表達(dá)式），表達(dá)式是邏輯表示，不會執(zhí)行，只有到了最后的生成結(jié)果階段才會執(zhí)行。而且整個過程數(shù)據(jù)是流式傳輸，不會產(chǎn)生內(nèi)存積壓。

可以看到上面有篩選和計算兩個過程，都沒有復(fù)制內(nèi)存，這里采用了延遲計算，也就是惰性機(jī)制。如果每個過程都真實(shí)計算，消耗內(nèi)存不說，單是時間成本就很大。

vaex的統(tǒng)計計算函數(shù)：

可視化展示

vaex還可以進(jìn)行快速可視化展示，即便是上百億的數(shù)據(jù)集，依然能秒出圖。

vaex可視化函數(shù)：

結(jié)論

vaex有點(diǎn)類似spark和pandas的結(jié)合體，數(shù)據(jù)量越大越能體現(xiàn)它的優(yōu)勢。只要你的硬盤能裝下多大數(shù)據(jù)，它就能快速分析這些數(shù)據(jù)。

vaex還在快速發(fā)展中，集成了越來越多pandas的功能，它在github上的star數(shù)是5k，成長潛力巨大。

附：hdf5數(shù)據(jù)集生成代碼（4列1億行數(shù)據(jù)）

import pandas as pd
import vaex
df = pd.DataFrame(np.random.rand(100000000,4),columns=['col_1','col_2','col_3','col_4'])
df.to_csv('example.csv',index=False)
vaex.read('example.csv',convert='example1.hdf5')

注意這里不要用pandas直接生成hdf5，其格式會與vaex不兼容。

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