Python太慢？那是你没用对方法！
在Python编程中，除了注意循环对内存的影响外，我们还需要关注数据相关项目和面向对象编程中类的内存利用效率。我们常常在设计和编写复杂的类时投入大量精力，却发现这些类在测试或生产环境中由于需要承载大量数据而表现不佳。
本文介绍了三种提高Python类内存效率的技术和方法。通过遵循这些建议，你可以优化类的内存使用，从而提升整体性能。无论是处理数据密集型项目还是面向对象编程，创建高效利用内存的类都至关重要，值得我们关注和实践。
1. 使用 __slots__
使用 Python 的 __slots__ 可以显式地定义类可以拥有的属性。这通常可以避免创建动态字典来存储属性，从而优化类的内存使用。
Python 默认情况下将实例属性存储在私有字典 __dict__中。这个字典允许很大的灵活性，允许运行时添加、修改或删除属性。然而，这种灵活性通常是以内存开销为代价的。类的每个实例都有一个字典，以键值对的形式存储属性名和值。使用 __slots__时，Python 直接为每个实例中的指定属性保留固定的空间，而不是使用默认的字典。
下面是一个使用 __slots__ 来提高内存效率的 Python 类的示例：
class Ant:
__slots__ = ['worker_id', 'role', 'colony']
def __init__(self, worker_id, role, colony):
self.worker_id = worker_id
self.role = role
self.colony = colony
# Instantiate multiple Ant objects
ant0 = Ant("Q", "Queen", "Red Colony")
ant1 = Ant("W1", "Worker", "Red Colony")
ant2 = Ant("W2", "Worker", "Red Colony")
ant3 = Ant("S1", "Soldier", "Red Colony")
在本例中，Ant 类使用 __slots__明确定义了worker_id、role和colony属性。这种特殊性避免了为属性存储创建动态字典，从而在创建多个 Ant 类实例时节省了内存。
当需要创建一个类的大量实例时（如创建一个蚁群时），使用 __slots__ 的好处会变得更加显著。如果没有 __slots__，使用属性字典（python 的默认设置）的开销就会变得很大，导致内存使用量增加，性能也可能下降。
一个包含蚂蚁成员列表的 Colony 类，如下所示：
class Colony:
def __init__(self, name):
self.name = name
self.ants = []
def add_ant(self, worker_id, role):
ant = Ant(worker_id, role, self.name)
self.ants.append(ant)
def distribute_work(self):
# add code to distribute work among the ants
pass
def defend_queen(self):
# add code to defend the queen
pass
实例化一个蚁群，然后运行一个循环，向实例中添加 500 000 只蚂蚁：
# Create an instance of Colony
colony_name = "Tinyopolis"
colony = Colony(colony_name)
# Simulate an ant colony of 500,000 worker ants
n_ants = 500_000
for i in range(n_ants):
worker_id = f"W{i}"
role = "Worker"
colony.add_ant(worker_id, role)
当我们反复实例化 Ant() 类时，使用 __slots__ 可以减少内存占用。使用 pympler 软件包剖析这个循环的内存使用情况，可以验证这一事实。比较使用 __slots__ 和不使用 __slots__ 的类的每次迭代的内存使用量时，我们得到以下结果：
内存使用对比图
在这里可以看到，使用 __slots__所占用的内存只有传统定义的类（默认使用 __dict__）的一半左右。
__slots__限制了可以分配给实例的属性，只有 __slots__中列出的属性才能直接分配和访问实例。任何分配未列在 __slots__中的属性的尝试都会引发 AttributeError。这有助于防止因输入错误而意外创建属性，但如果在开发后期需要添加其他属性，这也会造成限制。
__slots__ 可以通过消除对每个实例字典的需求，提高内存效率，使对象更紧凑， 减少总体内存使用。在创建大量类实例时尤其有用，有助于优化内存消耗和提高整体性能。此外，还可以从更快的属性访问时间中受益，与具体使用情况相关。
2. 使用惰性初始化
惰性初始化（Lazy Initialization）惰性初始化是一种延迟加载的策略，意味着只有在真正需要对象时才进行初始化。这种策略通常用于优化性能和资源使用，特别是在对象创建成本较高或资源有限的情况下。
在Python中，可以使用functools.cached_property装饰器实现惰性初始化。这个装饰器允许定义只计算一次的属性，并缓存起来，以便以后访问。通过使用@cached_property装饰器，在首次访问数据集时可以惰性加载数据集，而不是提前加载。
下面的示例说明了如何使用 cached_property 在 Python 类中惰性地加载数据集：
from functools import cached_property
class DataLoader:
def __init__(self, path):
self.path = path
@cached_property
def dataset(self):
# 在此加载数据集
# 这只会在首次访问数据集属性时执行一次
return self._load_dataset()
def _load_dataset(self):
print("Loading the dataset...")
# load a big dataset here
df = pd.read_csv(self.path)
return df
# instantiate the DataLoader class
path = "/[path_to_dataset]/mnist.csv"
mnist = DataLoader(path)
在这个例子中，DataLoader 类通过 cached_property 装饰器定义了一个 dataset 属性。_load_dataset 方法负责首次访问 dataset 属性时的数据集加载。后续访问 dataset 属性将返回缓存值，而不会重新加载数据集。
对于处理大型数据集时，这种惰性初始化方法非常有用。在这个例子中，我将展示通过 DataLoader 类加载 MNIST 数据集，并比较在访问 dataset 属性前后的内存占用情况。尽管 MNIST 数据集本身并不是很大，但它有效地说明了我的观点。
懒惰初始化对内存使用的影响
在实际例子中，考虑在庞大数据集上执行复杂处理步骤的 DataProcessor 类。可以使用 DataLoader 类，该类可以懒散地加载数据并利用 cached_property 装饰器。这种方法允许在调用特定方法时加载数据集，从而按需进行数据处理，节省内存并提高性能。以下是一个实现示例：
class DataProcessor:
def __init__(self, path):
self.path = path
self.data_loader = DataLoader(self.path)
def process_data(self):
dataset = self.data_loader.dataset
print("Processing the dataset...")
# 对加载的数据集执行复杂的数据处理步骤
...
# instantiate the DataLoader class
path = "/[path_to_dataset]/mnist.csv"
# 使用数据文件路径实例化 DataProcessor 类
# 此阶段不会加载数据！✅
processor = DataProcessor(path)
# 触发处理
processor.process_data() # 数据集将在需要时加载和处理
到目前为止，一切顺利。但如果数据集非常大，无法一次装入内存怎么办？现在，懒散地加载数据集并不一定有帮助，我们需要想其他办法来保证类的内存效率。
3. 使用生成器
Python生成器是一种可迭代类型，类似于列表和元组，但有一个关键区别。生成器不会将所有值一次性存储在内存中，而是在需要时即时生成值。这使得生成器在处理大量数据时具有很高的内存效率。
在处理大型数据集时，生成器特别有用。生成器允许你一次生成或加载一个数据块，这有助于节省内存。这种方法为按需处理和迭代大量数据提供了一种更有效的方式。
下面是一个 ChunkProcessor 类的示例，该类使用生成器分块加载数据、处理数据并将数据保存到另一个文件中：
import pandas as pd
class ChunkProcessor:
def __init__(self, filepath, chunk_size, verbose=True):
self.filepath = filepath
self.chunk_size = chunk_size
self.verbose = verbose
def process_data(self):
for chunk_id, chunk in enumerate(self.load_data()):
processed_chunk = self.process_chunk(chunk)
self.save_chunk(processed_chunk, chunk_id)
def load_data(self):
# load data in chunks
skip_rows = 0
while True:
chunk = pd.read_csv(self.filepath, skiprows=skip_rows, nrows=self.chunk_size)
if chunk.empty:
break
skip_rows += self.chunk_size
yield chunk
def process_chunk(self, chunk):
# process each chunk of data
processed_chunk = processing_function(chunk)
return processed_chunk
def save_chunk(self, chunk, chunk_id):
# save each processed chunk to a parquet file
chunk_filepath = f"./output_chunk_{chunk_id}.parquet"
chunk.to_parquet(chunk_filepath)
if self.verbose:
print(f"saved {chunk_filepath}")
在DataProcessor类中，load_data方法使用yield关键字来分块读取数据集，使其成为一个生成器。这样，它可以分块加载数据，并在加载下一个数据块时丢弃每个数据块。process_data方法对生成器进行迭代，以数据块为单位处理数据，并将每个数据块保存为单独的文件。
虽然 load_data 方法可以高效处理和迭代大型数据集，但它有限制。该实现仅支持加载保存在磁盘上的 CSV 文件，无法以相同方式加载 Parquet 文件，因为它们以列为单位的格式存储，不支持跳行。但如果 Parquet 文件已分块保存在磁盘上，则可以进行分块加载。因此，为了提高性能，我们会将最终处理好的文件保存为分块的 Parquet 格式，避免未来需要重新分解的麻烦。
如果使用 pandas 加载 CSV 文件，可以在 pd.read_csv() 中使用 chunksize 参数来节省时间和代码。该参数会自动返回一个生成器，因此无需在 load_data()中编写所有模板代码。下面是使用 pandas 实现的简化代码：
import pandas as pd
class PandasChunkProcessor:
def __init__(self, filepath, chunk_size, verbose=True):
self.filepath = filepath
self.chunk_size = chunk_size
self.verbose = verbose
def process_data(self):
for chunk_id, chunk in enumerate(pd.read_csv(self.filepath, chunksize=self.chunk_size)):
processed_chunk = self.process_chunk(chunk)
self.save_chunk(processed_chunk, chunk_id)
def process_chunk(self, chunk):
# process each chunk of data
processed_chunk = processing_function(chunk)
return processed_chunk
def save_chunk(self, chunk, chunk_id):
# save each processed chunk to a parquet file
chunk_filepath = f"./output_chunk_{chunk_id}.parquet"
chunk.to_parquet(chunk_filepath)
if self.verbose:
print(f"saved {chunk_filepath}")
使用生成器来节省内存的另一个注意事项是，并行处理生成器并不像 Python 中的列表那样简单。如果你的数据足够大，需要并行处理，你可能不得不考虑使用 concurrent.futures 或本文范围之外的其他高级技术。