Python编程优化技术

文章小白一枚，正在不断学习积累知识，现将学习到的知识记录一下，也是将我的所得分享给大家！而今天这篇文章《Python编程优化技术》带大家来了解一下##content_title##，希望对大家的知识积累有所帮助，从而弥补自己的不足，助力实战开发！

优化的代码至关重要，因为它直接影响软件的效率、性能和可扩展性。编写良好的代码运行速度更快，消耗的资源更少，并且更易于维护，使其更适合处理更大的工作负载并改善用户体验。它还降低了运营成本，因为高效的代码需要更少的处理能力和内存，这在资源有限的环境中尤其重要，例如嵌入式系统或大型云应用程序。

另一方面，编写糟糕的代码可能会导致执行时间变慢、能源消耗增加以及基础设施成本更高。例如，在 web 应用程序中，低效的代码可能会减慢页面加载速度，导致用户体验不佳，并可能导致用户流失。在数据处理任务中，低效的算法会显着增加处理大型数据集所需的时间，从而延迟关键的见解和决策。

此外，优化的代码通常更容易维护和扩展。通过遵循优化最佳实践，开发人员可以确保其代码库保持干净和模块化，从而更轻松地根据需要更新或扩展应用程序。随着软件项目的复杂性增加以及对系统的需求增加，这一点变得越来越重要。

让我们探索 10 种 python 编程优化技术，可以帮助您编写更高效、性能更高的代码。这些技术对于开发满足性能要求同时保持可扩展性和可维护性的强大应用程序至关重要。通过遵循最佳实践，这些技术也可以应用于其他编程语言。

1.变量打包

变量打包通过将多个数据项分组到一个结构中来最大限度地减少内存使用。在内存访问时间显着影响性能的场景（例如大规模数据处理）中，此技术至关重要。当相关数据打包在一起时，可以更有效地利用 cpu 缓存，从而加快数据检索速度。

示例：

import struct

# packing two integers into a binary format
packed_data = struct.pack('ii', 10, 20)

# unpacking the packed binary data
a, b = struct.unpack('ii', packed_data)

在这个例子中，使用struct模块将整数打包成紧凑的二进制格式，使数据处理更加高效。

2.存储与内存

理解存储（磁盘）和内存（ram）之间的区别至关重要。内存操作速度更快，但易失性，而存储是持久的，但速度较慢。在性能关键型应用程序中，将频繁访问的数据保留在内存中并最大限度地减少存储 i/o 对于速度至关重要。

示例：

import mmap

# memory-mapping a file
with open("data.txt", "r+b") as f:
    mmapped_file = mmap.mmap(f.fileno(), 0)
    print(mmapped_file.readline())
    mmapped_file.close()

内存映射文件允许您将磁盘存储视为内存，从而加快大文件的访问速度。

3.定长变量与变长变量

固定长度变量存储在连续的内存块中，使访问和操作更快。另一方面，可变长度变量需要额外的开销来管理动态内存分配，这会减慢操作速度，特别是在实时系统中。

示例：

import array

# using fixed-length array for performance
fixed_array = array.array('i', [1, 2, 3, 4, 5])

# dynamic list (variable-length)
dynamic_list = [1, 2, 3, 4, 5]

这里，array.array提供了一个固定长度的数组，提供比动态列表更可预测的性能。

4.内部函数与公共函数

内部函数是那些仅在定义它们的模块内使用的函数，通常针对速度和效率进行优化。公共函数公开供外部使用，并且可能包括额外的错误处理或日志记录，这使得它们的效率稍低。

示例：

def _private_function(data):
    # optimized for internal use, with minimal error handling
    return data ** 2

def public_function(data):
    # includes additional checks for external use
    if isinstance(data, int):
        return _private_function(data)
    raise valueerror("input must be an integer")

通过将大量计算保留在私有函数中，可以优化代码的效率，保留公共函数以实现外部安全性和可用性。

5.功能修饰符

在python中，装饰器充当函数修饰符，允许您在函数主执行之前或之后添加功能。这对于缓存、访问控制或日志记录等任务非常有用，可以优化多个函数调用之间的资源使用。

示例：

from functools import lru_cache

@lru_cache(maxsize=100)
def compute_heavy_function(x):
    # a computationally expensive operation
    return x ** x

使用lru_cache作为装饰器缓存昂贵的函数调用的结果，通过避免冗余计算来提高性能。

6.使用库

利用库可以让您避免重新发明轮子。像 numpy 这样的库是用 c 语言编写的，并且是为了性能而构建的，与纯 python 实现相比，它们对于繁重的数值计算来说更加高效。

示例：

import numpy as np

# efficient matrix multiplication using numpy
matrix_a = np.random.rand(1000, 1000)
matrix_b = np.random.rand(1000, 1000)
result = np.dot(matrix_a, matrix_b)

这里，numpy 的点函数针对矩阵运算进行了增强，远远优于纯 python 中的嵌套循环。

7.短路条件

短路减少了不必要的评估，这在复杂的条件检查或涉及资源密集型操作时特别有价值。它可以防止执行不需要检查的条件，从而节省时间和计算能力。
由于条件检查将在找到满足条件的第一个值时停止，因此您应该首先放置最有可能验证/无效条件的变量。在 or 条件（or）中，尝试将最可能为 true 的变量放在前面，而在 and 条件（and）中，尝试将最可能为 false 的变量放在前面。一旦检查了该变量，条件就可以退出，而无需检查其他值。

示例：

def complex_condition(x, y):
    return x != 0 and y / x > 2  # stops evaluation if x is 0

在此示例中，python 的逻辑运算符确保仅当 x 非零时才执行除法，从而防止潜在的运行时错误和不必要的计算。

8.释放内存

在长时间运行的应用程序中，尤其是那些处理大型数据集的应用程序中，一旦不再需要内存就必须释放内存。这可以使用 del、gc.collect() 或允许对象超出范围来完成。

示例：

import gc

# manual garbage collection to free up memory
large_data = [i for i in range(1000000)]
del large_data
gc.collect()  # forces garbage collection

使用 gc.collect() 可确保及时回收内存，这在内存受限的环境中至关重要。

9.短错误消息

在内存或带宽有限的系统中，例如嵌入式系统或分布式应用程序中的日志记录，短错误消息可以减少开销。这种做法也适用于需要大规模错误日志记录的场景。

示例：

try:
    result = 10 / 0
except zerodivisionerror:
    print("err: div/0")  # short, concise error message

短错误消息在资源效率至关重要的环境中非常有用，例如物联网设备或高频交易系统。

10.优化循环

循环是效率低下的常见原因，尤其是在处理大型数据集时。通过减少迭代、简化逻辑或使用向量化运算来优化循环可以显着提高性能。

示例：

import numpy as np

# Vectorised operation with NumPy
array = np.array([1, 2, 3, 4, 5])

# Instead of looping through elements
result = array * 2  # Efficient, vectorised operation

向量化消除了对显式循环的需要，利用低级优化来加快执行速度。

通过应用这些技术，您可以确保您的python或其他编程语言程序运行得更快，使用更少的内存，并且更具可扩展性，这对于数据科学、web和系统编程中的应用程序尤其重要。

ps：可以使用https://perfpy.com/#/来检查python代码效率。

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