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问使用numba并行化加速代码的字典问题
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Stack Overflow用户

提问于 2022-04-09 23:35:03

回答 1查看 5.5K关注 0票数 2

我已经写了一个代码，并尝试使用numba加速代码。代码的主要目标是根据条件对某些值进行分组。在这方面，iter_用于收敛代码以满足条件。我准备了下面的一个小例子来重现示例代码：

import numpy as np
import numba as nb

rng = np.random.default_rng(85)

# --------------------------------------- small data volume ---------------------------------------
# values_ = {'R0': np.array([0.01090976, 0.01069902, 0.00724112, 0.0068463 , 0.01135723, 0.00990762,
#                                        0.01090976, 0.01069902, 0.00724112, 0.0068463 , 0.01135723]),
#            'R1': np.array([0.01836379, 0.01900166, 0.01864162, 0.0182823 , 0.01840322, 0.01653088,
#                                        0.01900166, 0.01864162, 0.0182823 , 0.01840322, 0.01653088]),
#            'R2': np.array([0.02430913, 0.02239156, 0.02225379, 0.02093393, 0.02408692, 0.02110411,
#                                        0.02239156, 0.02225379, 0.02093393, 0.02408692, 0.02110411])}
#
# params = {'R0': [3, 0.9490579204466154, 1825, 7.070272000000002e-05],
#           'R1': [0, 0.9729203826820172, 167 , 7.070272000000002e-05],
#           'R2': [1, 0.6031363088057902, 1316, 8.007296000000003e-05]}
#
# Sno, dec_, upd_ = 2, 100, 200
# -------------------------------------------------------------------------------------------------

# ----------------------------- UPDATED (medium and large data volumes) ---------------------------
# values_ = np.load("values_med.npy", allow_pickle=True)[()]
# params = np.load("params_med.npy", allow_pickle=True)[()]
values_ = np.load("values_large.npy", allow_pickle=True)[()]
params = np.load("params_large.npy", allow_pickle=True)[()]

Sno, dec_, upd_ = 2000, 1000, 200
# -------------------------------------------------------------------------------------------------

# values_ = [*values_.values()]
# params = [*params.values()]


# @nb.jit(forceobj=True)
# def test(values_, params, Sno, dec_, upd_):

final_dict = {}
for i, j in enumerate(values_.keys()):
    Rand_vals = []
    goal_sum = params[j][1] * params[j][3]
    tel = goal_sum / dec_ * 10
    if params[j][0] != 0:
        for k in range(Sno):
            final_sum = 0.0
            iter_ = 0
            t = 1
            while not np.allclose(goal_sum, final_sum, atol=tel):
                iter_ += 1
                vals_group = rng.choice(values_[j], size=params[j][0], replace=False)
                # final_sum = 0.0016 * np.sum(vals_group)  # -----> For small data volume
                final_sum = np.sum(vals_group ** 3)        # -----> UPDATED For med or large data volume
                if iter_ == upd_:
                    t += 1
                    tel = t * tel
            values_[j] = np.delete(values_[j], np.where(np.in1d(values_[j], vals_group)))
            Rand_vals.append(vals_group)
    else:
        Rand_vals = [np.array([])] * Sno
    final_dict["R" + str(i)] = Rand_vals

#    return final_dict


# test(values_, params, Sno, dec_, upd_)

首先，在此代码上应用numba，使用了@nb.jit (forceobj=True用于避免警告和…)。，这将对演出产生不利影响。nopython也会使用@nb.njit进行检查，因为输入的不支持 (如1，2中提到的)字典类型导致了以下错误：

无法确定的Numba类型

我不知道Dict是否可以(如何)从numba.typed (通过将创建的python字典转换为numba )处理它，或者将字典转换为数组列表是否有什么好处。我认为，并行化可能是可能的，如果一些代码行，如Rand_vals.append(vals_group)或其他部分或…从函数中删除或修改以获得与以前相同的结果，但我不知道如何这样做。

我将非常感谢在这段代码中帮助使用numba。如果可以的话，numba parallelization 将是最理想的解决方案(可能是性能方面最适用的方法)。

数据：

中等数据量：med，med
大数据量：大型，大型

jit

performance

optimization

parallel-processing

numba

回答 1

Stack Overflow用户

回答已采纳

发布于 2022-04-13 17:05:12

此代码可以转换为Numba，但并不简单。

首先，必须定义字典和列表类型，因为Numba njit 函数不能直接在反射列表(又名)上操作。纯python列表)。在Numba中这样做有点乏味，其结果代码有点冗长：

String = nb.types.unicode_type
ValueArray = nb.float64[::1]
ValueDict = nb.types.DictType(String, ValueArray)
ParamDictValue = nb.types.Tuple([nb.int_, nb.float64, nb.int_, nb.float64])
ParamDict = nb.types.DictType(String, ParamDictValue)
FinalDictValue = nb.types.ListType(ValueArray)
FinalDict = nb.types.DictType(String, FinalDictValue)

然后，您需要转换输入字典：

nbValues = nb.typed.typeddict.Dict.empty(String, ValueArray)
for key,value in values_.items():
    nbValues[key] = value.copy()

nbParams = nb.typed.typeddict.Dict.empty(String, ParamDictValue)
for key,value in params.items():
    nbParams[key] = (nb.int_(value[0]), nb.float64(value[1]), nb.int_(value[2]), nb.float64(value[3]))

然后，您需要编写核心函数。np.allclose和np.isin没有在Numba中实现，因此应该手动重新实现。但要点是Numba不支持rng Numpy对象。我认为政府肯定不会在短期内支持这项建议。注意，Numba有一个随机数实现，试图模仿Numpy的行为，但是种子的管理有点不同。还请注意，如果种子设置为相同的值(Numpy和Numba有不同的种子变量而不是同步的)，那么np.random.xxx Numpy函数的结果应该是相同的。

@nb.njit(FinalDict(ValueDict, ParamDict, nb.int_, nb.int_, nb.int_))
def nbTest(values_, params, Sno, dec_, upd_):
    final_dict = nb.typed.Dict.empty(String, FinalDictValue)
    for i, j in enumerate(values_.keys()):
        Rand_vals = nb.typed.List.empty_list(ValueArray)
        goal_sum = params[j][1] * params[j][3]
        tel = goal_sum / dec_ * 10
        if params[j][0] != 0:
            for k in range(Sno):
                final_sum = 0.0
                iter_ = 0
                t = 1

                vals_group = np.empty(0, dtype=nb.float64)

                while np.abs(goal_sum - final_sum) > (1e-05 * np.abs(final_sum) + tel):
                    iter_ += 1
                    vals_group = np.random.choice(values_[j], size=params[j][0], replace=False)
                    final_sum = 0.0016 * np.sum(vals_group)
                    # final_sum = 0.0016 * np.sum(vals_group)  # (for small data volume)
                    final_sum = np.sum(vals_group ** 3)        # (for med or large data volume)
                    if iter_ == upd_:
                        t += 1
                        tel = t * tel

                # Perform an in-place deletion
                vals, gr = values_[j], vals_group
                cur = 0
                for l in range(vals.size):
                    found = False
                    for m in range(gr.size):
                        found |= vals[l] == gr[m]
                    if not found:
                        # Keep the value (delete it otherwise)
                        vals[cur] = vals[l]
                        cur += 1
                values_[j] = vals[:cur]

                Rand_vals.append(vals_group)
        else:
            for k in range(Sno):
                Rand_vals.append(np.empty(0, dtype=nb.float64))
        final_dict["R" + str(i)] = Rand_vals
    return final_dict

请注意，np.isin的替换实现非常幼稚，但在您的输入示例中，它在实践中运行得很好。

可以使用以下方式调用该函数：

nbFinalDict = nbTest(nbValues, nbParams, Sno, dec_, upd_)

最后，应该将字典转换回基本Python对象：

finalDict = dict()
for key,value in nbFinalDict.items():
    finalDict[key] = list(value)

这个实现对于小的输入是快速的，但不是大的，因为np.random.choice 几乎所有的时间都是 (>96%)。问题是，当请求项的数量很小时，这个函数显然不是最优的(这就是您的情况)。实际上，它在输入数组的线性时间中运行，而不是在请求项数的线性时间中运行。

进一步优化

该算法可以完全重写，只提取12个随机项，并以更有效的方式从主醋栗数组中丢弃它们。其思想是将数组末尾的n项(小目标示例)与任意位置的其他项交换，然后检查和，重复此过程直到满足条件，最后在调整视图大小之前将视图提取到最后一个n项，从而丢弃最后一个项。所有这些都可以在O(n)时间完成，而不是O(m)时间，其中m是带有n << m的主电流数组的大小(例如。12对20_000)。它也可以在不需要任何昂贵分配的情况下进行计算。以下是生成的代码：

@nb.njit(nb.void(ValueArray, nb.int_, nb.int_))
def swap(arr, i, j):
    arr[i], arr[j] = arr[j], arr[i]

@nb.njit(FinalDict(ValueDict, ParamDict, nb.int_, nb.int_, nb.int_))
def nbTest(values_, params, Sno, dec_, upd_):
    final_dict = nb.typed.Dict.empty(String, FinalDictValue)
    for i, j in enumerate(values_.keys()):
        Rand_vals = nb.typed.List.empty_list(ValueArray)
        goal_sum = params[j][1] * params[j][3]
        tel = goal_sum / dec_ * 10
        values = values_[j]
        n = params[j][0]

        if n != 0:
            for k in range(Sno):
                final_sum = 0.0
                iter_ = 0
                t = 1

                m = values.size
                assert n <= m
                group = values[-n:]

                while np.abs(goal_sum - final_sum) > (1e-05 * np.abs(final_sum) + tel):
                    iter_ += 1

                    # Swap the group view with other random items
                    for pos in range(m - n, m):
                        swap(values, pos, np.random.randint(0, m))

                    # For small data volume:
                    # final_sum = 0.0016 * np.sum(group)

                    # For med/large data volume
                    final_sum = 0.0
                    for v in group:
                        final_sum += v ** 3

                    if iter_ == upd_:
                        t += 1
                        tel *= t

                assert iter_ > 0
                values = values[:m-n]
                Rand_vals.append(group)
        else:
            for k in range(Sno):
                Rand_vals.append(np.empty(0, dtype=nb.float64))
        final_dict["R" + str(i)] = Rand_vals
    return final_dict

除了速度更快以外，这种实现作为更简单的好处也是如此。结果看起来与以前的实现非常相似，尽管具有随机性，这使得对结果的检查变得困难(特别是因为这个函数没有使用相同的方法来选择随机样本)。请注意，与前一个实现相比，此实现没有删除values中group中的项(这可能并不需要)。

基准测试

以下是我的机器上最后一个实现的结果(不包括编译和转换时间)：

Provided small input (embedded in the question):
 - Initial code:   42.71 ms
 - Numba code:      0.11 ms

Medium input:
 - Initial code:   3481 ms
 - Numba code:       11 ms

Large input:
 - Initial code:   6728 ms
 - Numba code:       20 ms

请注意，转换时间与计算时间大致相同。

最后一个实现是316~388倍，比小输入上的初始代码快一倍。

备注

注意，由于dict和列出类型，编译时间需要几秒钟。

请注意，虽然可以并行化实现，但只有最包容的循环才能并行化。问题是，需要计算的项目很少，而且时间已经很短了(这不是多线程的最佳情况)。此外，创建许多临时数组(由rng.choice创建)肯定会导致并行循环不能很好地扩展。此外，Numba并行化倾向于显著增加已经很重要的编译时间。最后，由于每个Numba线程都有自己的随机数生成器种子，并且不能用prange (取决于在目标平台上选择的并行运行时)来预测线程计算的项，所以结果不那么确定。请注意，在Numpy中，默认情况下有一个全局种子被通常的随机函数使用(不推荐的方式)，而RNG对象有自己的种子(新的首选方式)。

票数 3

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原文链接：

https://stackoverflow.com/questions/71814612

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