从小白到大师,这里有一份Pandas入门指南

选自Medium

机器之心编译

在本文中,作者从 Pandas 的简介开始,一步一步讲解了 Pandas 的发展现状、内存优化等问题。这是一篇最佳实践教程,既适合用过 Pandas 的读者,也适合没用过但想要上手的小白。

通过本文,你将有望发现一到多种用 pandas 编码的新方法。

本文包括以下内容:

  • Pandas 发展现状;
  • 内存优化;
  • 索引;
  • 方法链;
  • 随机提示。

在阅读本文时,我建议你阅读每个你不了解的函数的文档字符串(docstrings)。简单的 Google 搜索和几秒钟 Pandas 文档的阅读,都会使你的阅读体验更加愉快。

Pandas 的定义和现状

什么是 Pandas?

Pandas 是一个「开源的、有 BSD 开源协议的库,它为 Python 编程语言提供了高性能、易于使用的数据架构以及数据分析工具」。总之,它提供了被称为 DataFrame 和 Series(对那些使用 Panel 的人来说,它们已经被弃用了)的数据抽象,通过管理索引来快速访问数据、执行分析和转换运算,甚至可以绘图(用 matplotlib 后端)。

Pandas 的当前最新版本是 v0.25.0 (https://github.com/pandas-dev/pandas/releases/tag/v0.25.0)

Pandas 正在逐步升级到 1.0 版,而为了达到这一目的,它改变了很多人们习以为常的细节。Pandas 的核心开发者之一 Marc Garcia 发表了一段非常有趣的演讲——「走向 Pandas 1.0」。

演讲链接:https://www.youtube.com/watch?v=hK6o_TDXXN8

用一句话来总结,Pandas v1.0 主要改善了稳定性(如时间序列)并删除了未使用的代码库(如 SparseDataFrame)。

数据

让我们开始吧!选择「1985 到 2016 年间每个国家的自杀率」作为玩具数据集。这个数据集足够简单,但也足以让你上手 Pandas。

数据集链接:https://www.kaggle.com/russellyates88/suicide-rates-overview-1985-to-2016

在深入研究代码之前,如果你想重现结果,要先执行下面的代码准备数据,确保列名和类型是正确的。

import pandas as pd
import numpy as np
import os
# to download https://www.kaggle.com/russellyates88/suicide-rates-overview-1985-to-2016

data_path =  path/to/folder/ 
df = (pd.read_csv(filepath_or_buffer=os.path.join(data_path,  master.csv )) 
.rename(columns={ suicides/100k pop  :  suicides_per_100k ,   gdp_for_year ($)   :  gdp_year ,   gdp_per_capita ($)  :  gdp_capita ,  country-year  :  country_year }) 
.assign(gdp_year=lambda _df: _df[ gdp_year ].str
.replace( , ,  ).astype(np.int64)) )

提示:如果你读取了一个大文件,在 read_csv(https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.read_csv.html)中参数设定为 chunksize=N,这会返回一个可以输出 DataFrame 对象的迭代器。

这里有一些关于这个数据集的描述:

>>> df.columnsIndex([ country ,  year ,  sex ,  age ,  suicides_no ,  population ,  suicides_per_100k ,  country_year ,  HDI for year ,  gdp_year ,  gdp_capita ,  generation ], dtype= object )

这里有 101 个国家、年份从 1985 到 2016、两种性别、六个年代以及六个年龄组。有一些获得这些信息的方法:

可以用 unique() 和 nunique() 获取列内唯一的值(或唯一值的数量);

>>> df[ generation ].unique()
array([ Generation X ,  Silent ,  G.I. Generation ,  Boomers ,  Millenials ,  Generation Z ], dtype=object)
>>> df[ country ].nunique()
101

可以用 describe() 输出每一列不同的统计数据(例如最小值、最大值、平均值、总数等),如果指定 include= all ,会针对每一列目标输出唯一元素的数量和出现最多元素的数量;

可以用 head() 和 tail() 来可视化数据框的一小部分。

通过这些方法,你可以迅速了解正在分析的表格文件。

内存优化

在处理数据之前,了解数据并为数据框的每一列选择合适的类型是很重要的一步。

在内部,Pandas 将数据框存储为不同类型的 numpy 数组(比如一个 float64 矩阵,一个 int32 矩阵)。

有两种可以大幅降低内存消耗的方法。

import pandas as pd

def mem_usage(df: pd.DataFrame) -> str: 
"""This method styles the memory usage of a DataFrame to be readable as MB. Parameters ---------- df: pd.DataFrame Data frame to measure. Returns ------- str Complete memory usage as a string formatted for MB. """ 
    return f {df.memory_usage(deep=True).sum() / 1024 ** 2 : 3.2f} MB 

def convert_df(df: pd.DataFrame, deep_copy: bool = True) -> pd.DataFrame: 
"""Automatically converts columns that are worth stored as ``categorical`` dtype. Parameters ---------- df: pd.DataFrame Data frame to convert. deep_copy: bool Whether or not to perform a deep copy of the original data frame. Returns ------- pd.DataFrame Optimized copy of the input data frame. """ 
    return df.copy(deep=deep_copy).astype({ col:  category  for col in df.columns if df[col].nunique() / df[col].shape[0] < 0.5})

Pandas 提出了一种叫做 memory_usage() 的方法,这种方法可以分析数据框的内存消耗。在代码中,指定 deep=True 来确保考虑到了实际的系统使用情况。

memory_usage():https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.memory_usage.html

了解列的类型(https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/getting_started/basics.html#basics-dtypes)很重要。它可以通过两种简单的方法节省高达 90% 的内存使用:

  • 了解数据框使用的类型;
  • 了解数据框可以使用哪种类型来减少内存的使用(例如,price 这一列值在 0 到 59 之间,只带有一位小数,使用 float64 类型可能会产生不必要的内存开销)

除了降低数值类型的大小(用 int32 而不是 int64)外,Pandas 还提出了分类类型:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/categorical.html

如果你是用 R 语言的开发人员,你可能觉得它和 factor 类型是一样的。

这种分类类型允许用索引替换重复值,还可以把实际值存在其他位置。教科书中的例子是国家。和多次存储相同的字符串「瑞士」或「波兰」比起来,为什么不简单地用 0 和 1 替换它们,并存储在字典中呢?

categorical_dict = {0:  Switzerland , 1:  Poland }

Pandas 做了几乎相同的工作,同时添加了所有的方法,可以实际使用这种类型,并且仍然能够显示国家的名称。

回到 convert_df() 方法,如果这一列中的唯一值小于 50%,它会自动将列类型转换成 category。这个数是任意的,但是因为数据框中类型的转换意味着在 numpy 数组间移动数据,因此我们得到的必须比失去的多。

接下来看看数据中会发生什么。

>>> mem_usage(df)
10.28 MB
>>> mem_usage(df.set_index([ country ,  year ,  sex ,  age ]))
5.00 MB
>>> mem_usage(convert_df(df))
1.40 MB
>>> mem_usage(convert_df(df.set_index([ country ,  year ,  sex ,  age ])))
1.40 MB

通过使用「智能」转换器,数据框使用的内存几乎减少了 10 倍(准确地说是 7.34 倍)。

索引

Pandas 是强大的,但也需要付出一些代价。当你加载 DataFrame 时,它会创建索引并将数据存储在 numpy 数组中。这是什么意思?一旦加载了数据框,只要正确管理索引,就可以快速地访问数据。

访问数据的方法主要有两种,分别是通过索引和查询访问。根据具体情况,你只能选择其中一种。但在大多数情况中,索引(和多索引)都是最好的选择。我们来看下面的例子:

>>> %%time
>>> df.query( country == "Albania" and year == 1987 and sex == "male" and age == "25-34 years" )
CPU times: user 7.27 ms, sys: 751 µs, total: 8.02 ms
# ==================
>>> %%time
>>> mi_df.loc[ Albania , 1987,  male ,  25-34 years ]
CPU times: user 459 µs, sys: 1 µs, total: 460 µs

什么?加速 20 倍?

你要问自己了,创建这个多索引要多长时间?

%%time
mi_df = df.set_index([ country ,  year ,  sex ,  age ])
CPU times: user 10.8 ms, sys: 2.2 ms, total: 13 ms

通过查询访问数据的时间是 1.5 倍。如果你只想检索一次数据(这种情况很少发生),查询是正确的方法。否则,你一定要坚持用索引,CPU 会为此感激你的。

.set_index(drop=False) 允许不删除用作新索引的列。

.loc[]/.iloc[] 方法可以很好地读取数据框,但无法修改数据框。如果需要手动构建(比如使用循环),那就要考虑其他的数据结构了(比如字典、列表等),在准备好所有数据后,创建 DataFrame。否则,对于 DataFrame 中的每一个新行,Pandas 都会更新索引,这可不是简单的哈希映射。

>>> (pd.DataFrame({ a :range(2),  b : range(2)}, index=[ a ,  a ]) .loc[ a ]) 
  a b
a 0 0
a 1 1

因此,未排序的索引可以降低性能。为了检查索引是否已经排序并对它排序,主要有两种方法:

%%time
>>> mi_df.sort_index()
CPU times: user 34.8 ms, sys: 1.63 ms, total: 36.5 ms
>>> mi_df.index.is_monotonicTrue

更多详情请参阅:

  • Pandas 高级索引用户指南:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/advanced.html;
  • Pandas 库中的索引代码:https://github.com/pandas-dev/pandas/blob/master/pandas/core/indexing.py。

方法链

使用 DataFrame 的方法链是链接多个返回 DataFrame 方法的行为,因此它们都是来自 DataFrame 类的方法。在现在的 Pandas 版本中,使用方法链是为了不存储中间变量并避免出现如下情况:

import numpy as np
import pandas as pd
df = pd.DataFrame({ a_column : [1, -999, -999],  powerless_column : [2, 3, 4],  int_column : [1, 1, -1]}) 
df[ a_column ] = df[ a_column ].replace(-999, np.nan) 
df[ power_column ] = df[ powerless_column ] ** 2 
df[ real_column ] = df[ int_column ].astype(np.float64) 
df = df.apply(lambda _df: _df.replace(4, np.nan)) 
df = df.dropna(how= all )

用下面的链替换:

df = (pd.DataFrame({ a_column : [1, -999, -999], 
 powerless_column : [2, 3, 4], 
 int_column : [1, 1, -1]}) 
.assign(a_column=lambda _df: _df[ a_column ].replace(-999, np.nan)) 
.assign(power_column=lambda _df: _df[ powerless_column ] ** 2) 
.assign(real_column=lambda _df: _df[ int_column ].astype(np.float64)) 
.apply(lambda _df: _df.replace(4, np.nan)) 
.dropna(how= all ) )

说实话,第二段代码更漂亮也更简洁。

方法链的工具箱是由不同的方法(比如 apply、assign、loc、query、pipe、groupby 以及 agg)组成的,这些方法的输出都是 DataFrame 对象或 Series 对象(或 DataFrameGroupBy)。

了解它们最好的方法就是实际使用。举个简单的例子:

(df 
.groupby( age ) 
.agg({ generation : unique }) 
.rename(columns={ generation : unique_generation })
# Recommended from v0.25
# .agg(unique_generation=( generation ,  unique )))

获得每个年龄范围中所有唯一年代标签的简单链

在得到的数据框中,「年龄」列是索引。

除了了解到「X 代」覆盖了三个年龄组外,分解这条链。第一步是对年龄组分组。这一方法返回了一个 DataFrameGroupBy 对象,在这个对象中,通过选择组的唯一年代标签聚合了每一组。

在这种情况下,聚合方法是「unique」方法,但它也可以接受任何(匿名)函数。

在 0.25 版本中,Pandas 引入了使用 agg 的新方法:https://dev.pandas.io/whatsnew/v0.25.0.html#groupby-aggregation-with-relabeling。

(df 
.groupby([ country ,  year ]) 
.agg({ suicides_per_100k :  sum }) 
.rename(columns={ suicides_per_100k : suicides_sum })
# Recommended from v0.25
# .agg(suicides_sum=( suicides_per_100k ,  sum )) .sort_values( suicides_sum , ascending=False) .head(10))

用排序值(sort_values)和 head 得到自杀率排前十的国家和年份

(df 
.groupby([ country ,  year ]) 
.agg({ suicides_per_100k :  sum }) 
.rename(columns={ suicides_per_100k : suicides_sum })
# Recommended from v0.25
# .agg(suicides_sum=( suicides_per_100k ,  sum )) 
.nlargest(10, columns= suicides_sum ))

用排序值 nlargest 得到自杀率排前十的国家和年份

在这些例子中,输出都是一样的:有两个指标(国家和年份)的 MultiIndex 的 DataFrame,还有包含排序后的 10 个最大值的新列 suicides_sum。

「国家」和「年份」列是索引。

nlargest(10) 比 sort_values(ascending=False).head(10) 更有效。

另一个有趣的方法是 unstack:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.unstack.html,这种方法允许转动索引水平。

(mi_df 
.loc[( Switzerland , 2000)] 
.unstack( sex ) [[ suicides_no ,  population ]])

「age」是索引,列「suicides_no」和「population」都有第二个水平列「sex」。

下一个方法 pipe 是最通用的方法之一。这种方法允许管道运算(就像在 shell 脚本中)执行比链更多的运算。

管道的一个简单但强大的用法是记录不同的信息。

def log_head(df, head_count=10): 
    print(df.head(head_count)) 
    return df

def log_columns(df): 
    print(df.columns) 
    return df

def log_shape(df): 
    print(f shape = {df.shape} ) 
    return df

和 pipe 一起使用的不同记录函数。

举个例子,我们想验证和 year 列相比,country_year 是否正确:

(df 
.assign(valid_cy=lambda _serie: _serie.apply( 
lambda _row: re.split(r (?=d{4}) , 
_row[ country_year ])[1] == str(_row[ year ]), axis=1)) 
.query( valid_cy == False ) 
.pipe(log_shape))

用来验证「country_year」列中年份的管道。

管道的输出是 DataFrame,但它也可以在标准输出(console/REPL)中打印。

shape = (0, 13)

你也可以在一条链中用不同的 pipe。

(df .pipe(log_shape) 
.query( sex == "female" ) 
.groupby([ year ,  country ]) 
.agg({ suicides_per_100k : sum }) 
.pipe(log_shape) 
.rename(columns={ suicides_per_100k : sum_suicides_per_100k_female })
# Recommended from v0.25
# .agg(sum_suicides_per_100k_female=( suicides_per_100k ,  sum )) 
.nlargest(n=10, columns=[ sum_suicides_per_100k_female ]))

女性自杀数量最高的国家和年份。

生成的 DataFrame 如下所示:

索引是「年份」和「国家」。

标准输出的打印如下所示:

shape = (27820, 12)
shape = (2321, 1)

除了记录到控制台外,pipe 还可以直接在数据框的列上应用函数。

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

def norm_df(df, columns): 
    return df.assign(**{col: MinMaxScaler().fit_transform(df[[col]].values.astype(float))  
    for col in columns})  

for sex in [ male ,  female ]: 
    print(sex) 
    print( df .query(f sex == "{sex}" ) 
    .groupby([ country ]) 
    .agg({ suicides_per_100k :  sum ,  gdp_year :  mean }) 
    .rename(columns={ suicides_per_100k : suicides_per_100k_sum ,   gdp_year :  gdp_year_mean })
    # Recommended in v0.25
    # .agg(suicides_per_100k=( suicides_per_100k_sum ,  sum ), 
    # gdp_year=( gdp_year_mean ,  mean )) 
    .pipe(norm_df, columns=[ suicides_per_100k_sum ,  gdp_year_mean ]) 
    .corr(method= spearman ) ) 
    print(  )

自杀数量是否和 GDP 的下降相关?是否和性别相关?

上面的代码在控制台中的打印如下所示:

male
                    suicides_per_100k_sum gdp_year_mean
suicides_per_100k_sum       1.000000         0.421218
gdp_year_mean               0.421218         1.000000
female
                     suicides_per_100k_sum gdp_year_mean
suicides_per_100k_sum        1.000000         0.452343
gdp_year_mean                0.452343         1.000000

深入研究代码。norm_df() 将一个 DataFrame 和用 MinMaxScaling 扩展列的列表当做输入。使用字典理解,创建一个字典 {column_name: method, …},然后将其解压为 assign() 函数的参数 (colunmn_name=method, …)。

在这种特殊情况下,min-max 缩放不会改变对应的输出:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.corr.html,它仅用于参数。

在(遥远的?)未来,缓式评估(lazy evaluation)可能出现在方法链中,所以在链上做一些投资可能是一个好想法。

最后(随机)的技巧

下面的提示很有用,但不适用于前面的任何部分:

itertuples() 可以更高效地遍历数据框的行;

>>> %%time
>>> for row in df.iterrows(): continue
CPU times: user 1.97 s, sys: 17.3 ms, total: 1.99 s
>>> for tup in df.itertuples(): continue
CPU times: user 55.9 ms, sys: 2.85 ms, total: 58.8 ms

注意:tup 是一个 namedtuple

join() 用了 merge();

在 Jupyter 笔记本中,在代码块的开头写上 %%time,可以有效地测量时间;

UInt8 类:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/gotchas.html#support-for-integer-na支持带有整数的 NaN 值;

记住,任何密集的 I/O(例如展开大型 CSV 存储)用低级方法都会执行得更好(尽可能多地用 Python 的核心函数)。

还有一些本文没有涉及到的有用的方法和数据结构,这些方法和数据结构都很值得花时间去理解:

数据透视表:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.pivot.html?source=post_page---------------------------

时间序列/日期功能:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/timeseries.html?source=post_page---------------------------;

绘图:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/visualization.html?source=post_page---------------------------。

总结

希望你可以因为这篇简短的文章,更好地理解 Pandas 背后的工作原理,以及 Pandas 库的发展现状。本文还展示了不同的用于优化数据框内存以及快速分析数据的工具。希望对现在的你来说,索引和查找的概念能更加清晰。最后,你还可以试着用方法链写更长的链。

这里还有一些笔记:https://github.com/unit8co/medium-pandas-wan?source=post_page---------------------------

除了文中的所有代码外,还包括简单数据索引数据框(df)和多索引数据框(mi_df)性能的定时指标。

熟能生巧,所以继续修炼技能,并帮助我们建立一个更好的世界吧。

PS:有时候纯用 Numpy 会更快。

原文链接:https://medium.com/unit8-machine-learning-publication/from-pandas-wan-to-pandas-master-4860cf0ce442

原文发布于微信公众号 - 机器学习算法与Python学习(guodongwei1991)

原文发表时间:2019-08-19

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