簡單實用的pandas技巧：如何將內存占用降低90%
pandas 是一個 Python 軟件庫，可用于數據操作和分析。數據科學博客 Dataquest.io 發布了一篇關于如何優化 pandas 內存占用的教程：僅需進行簡單的數據類型轉換，就能夠將一個棒球比賽數據集的內存占用減少了近 90%，機器之心對本教程進行了編譯介紹。
當使用 pandas 操作小規模數據（低于 100 MB）時，性能一般不是問題。而當面對更大規模的數據（100 MB 到數 GB）時，性能問題會讓運行時間變得更漫長，而且會因為內存不足導致運行完全失敗。
盡管 Spark 這樣的工具可以處理大型數據集（100 GB 到數 TB），但要完全利用它們的能力，往往需要更加昂貴的硬件。而且和 pandas 不同，它們缺少豐富的用于高質量數據清理、探索和分析的功能集。對于中等規模的數據，我們最好能更充分地利用 pandas，而不是換成另一種工具。
在這篇文章中，我們將了解 pandas 的內存使用，以及如何只需通過為列選擇合適的數據類型就能將 dataframe 的內存占用減少近 90%。
處理棒球比賽日志
我們將處理 130 年之久的美國職業棒球大聯盟（MLB）比賽數據，這些數據來自 Retrosheet：http://www.retrosheet.org/gamelogs/index.html。
這些數據原來分成了 127 個不同的 CSV 文件，但我們已經使用 csvkit 合并了這些數據，并在第一行增加了列名稱。如果你想下載本文所用的這個數據版本，請訪問：https://data.world/dataquest/mlb-game-logs。
讓我們首先導入數據，并看看其中的前五行：
下面我們總結了一些重要的列，但如果你想了解所有的列，我們也為整個數據集創建了一個數據詞典：https://data.world/dataquest/mlb-game-logs/workspace/data-dictionary。
- date - 比賽時間
- v_name - 客隊名
- v_league - 客隊聯盟
- h_name - 主隊名
- h_league - 主隊聯盟
- v_score - 客隊得分
- h_score - 主隊得分
- v_line_score - 客隊每局得分排列，例如：010000(10)00.
- h_line_score - 主隊每局得分排列，例如：010000(10)0X.
- park_id - 比賽舉辦的球場名
- attendance- 比賽觀眾
我們可以使用 DataFrame.info() 方法為我們提供關于 dataframe 的高層面信息，包括它的大小、數據類型的信息和內存使用情況。
默認情況下，pandas 會近似 dataframe 的內存用量以節省時間。因為我們也關心準確度，所以我們將 memory_usage 參數設置為 'deep'，以便得到準確的數字。
我們可以看到，我們有 171,907 行和 161 列。pandas 會自動為我們檢測數據類型，發現其中有 83 列數據是數值，78 列是 object。object 是指有字符串或包含混合數據類型的情況。
為了更好地理解如何減少內存用量，讓我們看看 pandas 是如何將數據存儲在內存中的。
dataframe 的內部表示
在 pandas 內部，同樣數據類型的列會組織成同一個值塊（blocks of values）。這里給出了一個示例，說明了 pandas 對我們的 dataframe 的前 12 列的存儲方式。
你可以看到這些塊并沒有保留原有的列名稱。這是因為這些塊為存儲 dataframe 中的實際值進行了優化。pandas 的 BlockManager 類則負責保留行列索引與實際塊之間的映射關系。它可以作為一個 API 使用，提供了對底層數據的訪問。不管我們何時選擇、編輯或刪除這些值，dataframe 類和 BlockManager 類的接口都會將我們的請求翻譯成函數和方法的調用。
在 pandas.core.internals 模塊中，每一種類型都有一個專門的類。pandas 使用 ObjectBlock 類來表示包含字符串列的塊，用 FloatBlock 類表示包含浮點數列的塊。對于表示整型數和浮點數這些數值的塊，pandas 會將這些列組合起來，存儲成 NumPy ndarray。NumPy ndarray 是圍繞 C 語言的數組構建的，其中的值存儲在內存的連續塊中。這種存儲方案使得對值的訪問速度非常快。
因為每種數據類型都是分開存儲的，所以我們將檢查不同數據類型的內存使用情況。首先，我們先來看看各個數據類型的平均內存用量。
可以看出，78 個 object 列所使用的內存量最大。我們后面再具體談這個問題。首先我們看看能否改進數值列的內存用量。
理解子類型（subtype）
正如我們前面簡單提到的那樣，pandas 內部將數值表示為 NumPy ndarrays，并將它們存儲在內存的連續塊中。這種存儲模式占用的空間更少，而且也讓我們可以快速訪問這些值。因為 pandas 表示同一類型的每個值時都使用同樣的字節數，而 NumPy ndarray 可以存儲值的數量，所以 pandas 可以快速準確地返回一個數值列所消耗的字節數。
pandas 中的許多類型都有多個子類型，這些子類型可以使用更少的字節來表示每個值。比如說 float 類型就包含 float16、float32 和 float64 子類型。類型名稱中的數字就代表該類型表示值的位（bit）數。比如說，我們剛剛列出的子類型就分別使用了 2、4、8、16 個字節。下面的表格給出了 pandas 中最常用類型的子類型：
一個 int8 類型的值使用 1 個字節的存儲空間，可以表示 256（2^8）個二進制數。這意味著我們可以使用這個子類型來表示從 -128 到 127（包括 0）的所有整數值。
我們可以使用 numpy.iinfo 類來驗證每個整型數子類型的最大值和最小值。舉個例子：
這里我們可以看到 uint（無符號整型）和 int（有符號整型）之間的差異。這兩種類型都有一樣的存儲能力，但其中一個只保存 0 和正數。無符號整型讓我們可以更有效地處理只有正數值的列。
使用子類型優化數值列
我們可以使用函數 pd.to_numeric() 來對我們的數值類型進行 downcast（向下轉型）操作。我們會使用 DataFrame.select_dtypes 來選擇整型列，然后我們會對其數據類型進行優化，并比較內存用量。
我們可以看到內存用量從 7.9 MB 下降到了 1.5 MB，降低了 80% 以上。但這對我們原有 dataframe 的影響并不大，因為其中的整型列非常少。
讓我們對其中的浮點型列進行一樣的操作。
我們可以看到浮點型列的數據類型從 float64 變成了 float32，讓內存用量降低了 50%。
讓我們為原始 dataframe 創建一個副本，并用這些優化后的列替換原來的列，然后看看我們現在的整體內存用量。
盡管我們極大地減少了數值列的內存用量，但整體的內存用量僅減少了 7%。我們的大部分收獲都將來自對 object 類型的優化。
在我們開始行動之前，先看看 pandas 中字符串的存儲方式與數值類型的存儲方式的比較。
數值存儲與字符串存儲的比較
object 類型表示使用 Python 字符串對象的值，部分原因是 NumPy 不支持缺失（missing）字符串類型。因為 Python 是一種高級的解釋性語言，它對內存中存儲的值沒有細粒度的控制能力。
這一限制導致字符串的存儲方式很碎片化，從而會消耗更多內存，而且訪問速度也更慢。object 列中的每個元素實際上都是一個指針，包含了實際值在內存中的位置的「地址」。
下面這幅圖給出了以 NumPy 數據類型存儲數值數據和使用 Python 內置類型存儲字符串數據的方式。
圖片來源：https://jakevdp.github.io/blog/2014/05/09/why-python-is-slow/
在前面的表格中，你可能已經注意到 object 類型的內存使用是可變的。盡管每個指針僅占用 1 字節的內存，但如果每個字符串在 Python 中都是單獨存儲的，那就會占用實際字符串那么大的空間。我們可以使用 sys.getsizeof() 函數來證明這一點，首先查看單個的字符串，然后查看 pandas series 中的項。
你可以看到，當存儲在 pandas series 時，字符串的大小與用 Python 單獨存儲的字符串的大小是一樣的。
使用 Categoricals 優化 object 類型
pandas 在 0.15 版引入了 Categorials。category 類型在底層使用了整型值來表示一個列中的值，而不是使用原始值。pandas 使用一個單獨的映射詞典將這些整型值映射到原始值。只要當一個列包含有限的值的集合時，這種方法就很有用。當我們將一列轉換成 category dtype 時，pandas 就使用最節省空間的 int 子類型來表示該列中的所有不同值。
為了了解為什么我們可以使用這種類型來減少內存用量，讓我們看看我們的 object 類型中每種類型的不同值的數量。
上圖完整圖像詳見原文
大概看看就能發現，對于我們整個數據集的 172,000 場比賽，其中不同（unique）值的數量可以說非常少。
為了了解當我們將其轉換成 categorical 類型時究竟發生了什么，我們拿出一個 object 列來看看。我們將使用數據集的第二列 day_of_week.
看看上表，可以看到其僅包含 7 個不同的值。我們將使用 .astype() 方法將其轉換成 categorical 類型。
如你所見，除了這一列的類型發生了改變之外，數據看起來還是完全一樣。讓我們看看這背后發生了什么。
在下面的代碼中，我們使用了 Series.cat.codes 屬性來返回 category 類型用來表示每個值的整型值。
你可以看到每個不同值都被分配了一個整型值，而該列現在的基本數據類型是 int8。這一列沒有任何缺失值，但就算有，category 子類型也能處理，只需將其設置為 -1 即可。
最后，讓我們看看在將這一列轉換為 category 類型前后的內存用量對比。
9.8 MB 的內存用量減少到了 0.16 MB，減少了 98%！注意，這個特定列可能代表了我們最好的情況之一——即大約 172,000 項卻只有 7 個不同的值。
盡管將所有列都轉換成這種類型聽起來很吸引人，但了解其中的取舍也很重要。最大的壞處是無法執行數值計算。如果沒有首先將其轉換成數值 dtype，那么我們就無法對 category 列進行算術運算，也就是說無法使用 Series.min() 和 Series.max() 等方法。
我們應該堅持主要將 category 類型用于不同值的數量少于值的總數量的 50% 的 object 列。如果一列中的所有值都是不同的，那么 category 類型所使用的內存將會更多。因為這一列不僅要存儲所有的原始字符串值，還要額外存儲它們的整型值代碼。你可以在 pandas 文檔中了解 category 類型的局限性：http://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/categorical.html。
我們將編寫一個循環函數來迭代式地檢查每一 object 列中不同值的數量是否少于 50%；如果是，就將其轉換成 category 類型。
和之前一樣進行比較：
在這個案例中，所有的 object 列都被轉換成了 category 類型，但并非所有數據集都是如此，所以你應該使用上面的流程進行檢查。
object 列的內存用量從 752MB 減少到了 52MB，減少了 93%。讓我們將其與我們 dataframe 的其它部分結合起來，看看從最初 861MB 的基礎上實現了多少進步。
Wow，進展真是不錯！我們還可以執行另一項優化——如果你記得前面給出的數據類型表，你知道還有一個 datetime 類型。這個數據集的第一列就可以使用這個類型。
你可能記得這一列開始是一個整型，現在已經優化成了 unint32 類型。因此，將其轉換成 datetime 類型實際上會讓內存用量翻倍，因為 datetime 類型是 64 位的。將其轉換成 datetime 類型是有價值的，因為這讓我們可以更好地進行時間序列分析。
pandas.to_datetime() 函數可以幫我們完成這種轉換，使用其 format 參數將我們的日期數據存儲成 YYYY-MM-DD 形式。
在讀入數據的同時選擇類型
現在，我們已經探索了減少現有 dataframe 的內存占用的方法。通過首先讀入 dataframe，然后在這個過程中迭代以減少內存占用，我們了解了每種優化方法可以帶來的內存減省量。但是正如我們前面提到的一樣，我們往往沒有足夠的內存來表示數據集中的所有值。如果我們一開始甚至無法創建 dataframe，我們又可以怎樣應用節省內存的技術呢？
幸運的是，我們可以在讀入數據的同時指定最優的列類型。pandas.read_csv() 函數有幾個不同的參數讓我們可以做到這一點。dtype 參數接受具有（字符串）列名稱作為鍵值（key）以及 NumPy 類型 object 作為值的詞典。
首先，我們可將每一列的最終類型存儲在一個詞典中，其中鍵值表示列名稱，首先移除日期列，因為日期列需要不同的處理方式。
現在我們可以使用這個詞典了，另外還有幾個參數可用于按正確的類型讀入日期，而且僅需幾行代碼：
上圖完整圖像詳見原文
通過優化這些列，我們成功將 pandas 的內存占用從 861.6MB 減少到了 104.28MB——減少了驚人的 88%！
分析棒球比賽
現在我們已經優化好了我們的數據，我們可以執行一些分析了。讓我們先從了解這些比賽的日期分布開始。
我們可以看到在 1920 年代以前，星期日的棒球比賽很少，但在上個世紀后半葉就變得越來越多了。
我們也可以清楚地看到過去 50 年來，比賽的日期分布基本上沒什么大變化了。
讓我們再看看比賽時長的變化情況：
從 1940 年代以來，棒球比賽的持續時間越來越長。
總結和下一步
我們已經了解了 pandas 使用不同數據類型的方法，然后我們使用這種知識將一個 pandas dataframe 的內存用量減少了近 90%，而且也僅使用了一些簡單的技術：
- 將數值列向下轉換成更高效的類型
- 將字符串列轉換成 categorical 類型
文章轉載：機器之心
（版權歸原作者所有，侵刪）