Cython numpy数组索引器速度提升

Question

我用纯python编写了以下代码，文档字符串中对它的功能进行了描述：

import numpy as np
from scipy.ndimage.measurements import find_objects
import itertools

def alt_indexer(arr):

    """
    Returns a dictionary with the elements of arr as key
    and the corresponding slice as value.

    Note:

        This function assumes arr is sorted.

    Example:

        >>> arr = [0,0,3,2,1,2,3]
        >>> loc = _indexer(arr)
        >>> loc
        {0: (slice(0L, 2L, None),),
        1: (slice(2L, 3L, None),),
        2: (slice(3L, 5L, None),),
        3: (slice(5L, 7L, None),)}
        >>> arr = sorted(arr)
        >>> arr[loc[3][0]]
        [3, 3]
        >>> arr[loc[2][0]]
        [2, 2]

    """

    unique, counts = np.unique(arr, return_counts=True)
    labels = np.arange(1,len(unique)+1)
    labels = np.repeat(labels,counts)

    slicearr = find_objects(labels)
    index_dict = dict(itertools.izip(unique,slicearr))

    return index_dict

因为我将索引非常大的数组，所以我想通过使用cython来加速操作，下面是等效的实现：

import numpy as np
cimport numpy as np

def _indexer(arr):

    cdef tuple unique_counts = np.unique(arr, return_counts=True)
    cdef np.ndarray[np.int32_t,ndim=1] unique = unique_counts[0]
    cdef np.ndarray[np.int32_t,ndim=1] counts = unique_counts[1].astype(int)

    cdef int start=0
    cdef int end
    cdef int i
    cdef dict d ={}

    for i in xrange(len(counts)):
        if i>0:
            start = counts[i-1]+start
        end=counts[i]+start
        d[unique[i]]=slice(start,end)
    return d

基准测试

我比较了完成这两个操作所需的时间：

In [26]: import numpy as np

In [27]: rr=np.random.randint(0,1000,1000000)

In [28]: %timeit _indexer(rr)
10 loops, best of 3: 40.5 ms per loop

In [29]: %timeit alt_indexer(rr) #pure python
10 loops, best of 3: 51.4 ms per loop

如你所见，速度的提升是微乎其微的。我确实意识到，自从我使用numpy以来，我的代码已经部分优化了。

有没有我不知道的瓶颈？我不应该使用np.unique并编写我自己的实现吗？

谢谢。

Answer 1

由于arr具有非负的、不是非常大的并且有许多重复的int数字，这里有一种替代方法，使用np.bincount来模拟与np.unique(arr, return_counts=True)相同的行为-

def unique_counts(arr):
    counts = np.bincount(arr)
    mask = counts!=0
    unique = np.nonzero(mask)[0]
    return unique, counts[mask] 

运行时测试

案例1：

In [83]: arr = np.random.randint(0,100,(1000)) # Input array

In [84]: unique, counts = np.unique(arr, return_counts=True)
    ...: unique1, counts1 = unique_counts(arr)
    ...: 

In [85]: np.allclose(unique,unique1)
Out[85]: True

In [86]: np.allclose(counts,counts1)
Out[86]: True

In [87]: %timeit np.unique(arr, return_counts=True)
10000 loops, best of 3: 53.2 µs per loop

In [88]: %timeit unique_counts(arr)
100000 loops, best of 3: 10.2 µs per loop

案例2：

In [89]: arr = np.random.randint(0,1000,(10000)) # Input array

In [90]: %timeit np.unique(arr, return_counts=True)
1000 loops, best of 3: 713 µs per loop

In [91]: %timeit unique_counts(arr)
10000 loops, best of 3: 39.1 µs per loop

案例#3:让我们运行一个unique在最小到最大范围内丢失了一些数字的案例，并根据np.unique版本验证结果，作为一个健全的检查。在这种情况下，我们不会有太多重复的数字，因此预计性能不会更好。

In [98]: arr = np.random.randint(0,10000,(1000)) # Input array

In [99]: unique, counts = np.unique(arr, return_counts=True)
    ...: unique1, counts1 = unique_counts(arr)
    ...: 

In [100]: np.allclose(unique,unique1)
Out[100]: True

In [101]: np.allclose(counts,counts1)
Out[101]: True

In [102]: %timeit np.unique(arr, return_counts=True)
10000 loops, best of 3: 61.9 µs per loop

In [103]: %timeit unique_counts(arr)
10000 loops, best of 3: 71.8 µs per loop