Оптимизация производительности Python

Оптимизацияпроизводительности Python

Александр Маршалов / [email protected]

1 / 216

mailto:[email protected]

О чём мы будем говорить?

2 / 216

Мы не будем говорить:

3 / 216


Об «альтернативных» платформах (PyPy, MyPy, Jython, Iron Python, etc…)

4 / 216



О распараллеливании алгоритмов

5 / 216




О переписывании кода на другие языки *

* при этом мы все же немного поговорим о генерации кода на других языках на основе python-кода

6 / 216





Об объективности и правильности приводимых в докладе тестов


7 / 216





Об объективности и правильности приводимых в докладе тестов

О том, что всё, о чем вы услышите, нужно применять с умом


8 / 216

Часть 1

Микрооптимизации

9 / 216

1. Микро-оптимизации

- Инструменты

Инструменты, используемые примикрооптимизациях

10 / 216




Модуль dis

11 / 216




Модуль dis

Использование:

>>> from dis import dis>>> dis("sec_in_week = 604800") 1 0 LOAD_CONST 6 (604800) 3 STORE_NAME 0 (sec_in_week) 6 LOAD_CONST 3 (None) 9 RETURN_VALUE

12 / 216




Модуль dis

Использование:

>>> from dis import dis>>> dis("sec_in_week = 604800") 1 0 LOAD_CONST 6 (604800) 3 STORE_NAME 0 (sec_in_week) 6 LOAD_CONST 3 (None) 9 RETURN_VALUE

Подробнее: docs.python.org/3/library/dis.html

13 / 216

https://docs.python.org/3/library/dis.html




x = 1y = 2

Модуль dis

Пример. Мы хотим узнать, какая конструкция выполняется быстрее:

x, y = 1, 2 .

14 / 216




x = 1y = 2

LOAD_CONST ((1, 2))UNPACK_SEQUENCE 2STORE_NAME (x)STORE_NAME (y)LOAD_CONST (None)RETURN_VALUE

LOAD_CONST (1)STORE_NAME (x)LOAD_CONST (2)STORE_NAME (y)LOAD_CONST (None)RETURN_VALUE

Модуль dis


x, y = 1, 2 .

15 / 216




x = 1y = 2



Модуль dis


Видно, что байт-код отличается на две конструкции, в первомслучае - загрузка кортежа в стек и распаковка в стек, во втором -две загрузки целых чисел в стек.

x, y = 1, 2 .

16 / 216




x = 1y = 2



Модуль dis


Интуитивно понятно, что загрузка кортежа в стек медленнейзагрузки числа в стек, и распаковка кортежа в стек медленнейзагрузки одного значения в стек.

x, y = 1, 2 .

17 / 216




x = 1y = 2



Модуль dis


Поэтому видно, что второй код быстрее первого. Но, если не видно,то есть timeit.

x, y = 1, 2 .

18 / 216




Модуль timeit

19 / 216




Модуль timeit

Использование (в REPL или в python-коде):

>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("x, y = 1, 2", number=100000000)3.349976803001482>>> >>> timeit("x = 1; y = 1", number=100000000)3.125208465033211

20 / 216




Модуль timeit

Использование (в ipython):

In [1]: %timeit a, b, c, d = 1, 2, 3, 410000000 loops, best of 3: 45.1 ns per loop

In [2]: %timeit a = 1; b = 2; c = 3; d = 410000000 loops, best of 3: 47.7 ns per loop

In [3]:

21 / 216




Модуль timeit

Использование (в режиме командной строки):

$ python3 -m timeit -n 1000000 -r 100 "x = 1; y = 2; z = 3"1000000 loops, best of 100: 0.0385 usec per loop$ $ python3 -m timeit -n 1000000 -r 100 "x, y, z = 1, 2, 3"1000000 loops, best of 100: 0.0388 usec per loop

22 / 216




Модуль timeit

Использование (в режиме командной строки):

$ python3 -m timeit -n 1000000 -r 100 "x = 1; y = 2; z = 3"1000000 loops, best of 100: 0.0385 usec per loop$ $ python3 -m timeit -n 1000000 -r 100 "x, y, z = 1, 2, 3"1000000 loops, best of 100: 0.0388 usec per loop

Подробнее: docs.python.org/3/library/timeit.html

23 / 216

https://docs.python.org/3/library/timeit.html



- Замена умножениясложением

1. Замена умножения сложением

24 / 216





>>> # int>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("x = x * 2", setup="x = 2")21.935253892996116>>> timeit("x = x + x", setup="x = 2")18.347866550000617

25 / 216






>>> # float>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("x = x * 2", setup="x = 3.14", number=100000000)8.331406126002548>>> timeit("x = x + x", setup="x = 3.14", number=100000000)4.393627463025041

26 / 216






>>> # float>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("x = x * 2", setup="x = 3.14", number=100000000)8.331406126002548>>> timeit("x = x + x", setup="x = 3.14", number=100000000)4.393627463025041

Сравнение:

x * 2 x + x приростприростint 21.94 18.35 16.5%float 8.33 4.39 47.3%

27 / 216




- Замена возведения встепень умножением

2. Замена возведения в степеньумножением

28 / 216






>>> # int>>> timeit("x = x ** 2", setup="x = 2", number=30)8.314083544013556>>> timeit("x = x * x", setup="x = 2", number=30)7.056395357009023

29 / 216







>>> # float>>> timeit("x = x ** 2", setup="x = 0.5", number=100000000)5.864706993103027>>> timeit("x = x * x", setup="x = 0.5", number=100000000)3.877152919769287

30 / 216







>>> # float>>> timeit("x = x ** 2", setup="x = 0.5", number=100000000)5.864706993103027>>> timeit("x = x * x", setup="x = 0.5", number=100000000)3.877152919769287

Сравнение:

x ** 2 x * x приростприростint 8.31 7.06 15.0%float 5.86 3.88 33.8%

31 / 216





- "Протяжка" констант

3. Замена "константных переменных" ихзначениями (литералами).

32 / 216







Иначе говоря, популярная оптимизация под названием constantpropagation ("протяжка" констант).

33 / 216







«Модифицируй это!» или «Больше магии Python спомощью изменения AST»

vk.com/wall-96469126_102934 / 216

http://vk.com/wall-96469126_1029

http://vk.com/wall-96469126_1029






- "Интернирование" строк

4. "Интернирование" строк / stringinterning.

35 / 216








In [1]: x = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_"""

In [2]: y = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_"""

In [3]: %timeit z = (x == y)10000000 loops, best of 3: 85.3 ns per loop


In [5]: # ???

In [6]: # ???

In [7]: # ???



36 / 216








In [1]: x = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_"""

In [2]: y = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_"""



In [5]: import sys

In [6]: x = sys.intern(x)

In [7]: y = sys.intern(y)



37 / 216








>>> x = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> y = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> >>> x == y, x is y(True, False)>>> id(x), id(y)(4376204752, 4376204848)

38 / 216








>>> x = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> y = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> >>> x == y, x is y(True, False)>>> id(x), id(y)(4376204752, 4376204848)>>> >>> from sys import intern>>> x, y = intern(x), intern(y)

39 / 216








>>> x = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> y = """()*YH)(8h3-p24f9h 98u34r-19843u_(*U _%ÎG+_""">>> >>> x == y, x is y(True, False)>>> id(x), id(y)(4376204752, 4376204848)>>> >>> from sys import intern>>> x, y = intern(x), intern(y)>>> >>> x == y, x is y(True, True)>>> id(x), id(y)(4376204752, 4376204752)

40 / 216








41 / 216








Интернирование делает строки синглтонами, то есть длякаждой уникальной строки существует только одинэкземпляр.

42 / 216









Происходит автоматически для односимвольных строк.

43 / 216










Происходит автоматически для идентификаторов.

44 / 216











Аналогичный механизм используется для чисел от -5 до 256,эти числа также являются синглтонами.

45 / 216











Аналогичный механизм используется для чисел от -5 до 256,эти числа также являются синглтонами.

В качестве операторов сравнения интернированных строкможно использовать is и is not, что даст прирост скоростисравнения.

46 / 216








The internals of Python string interning

guilload.com/python-string-interning/

47 / 216

http://guilload.com/python-string-interning/









Python string objects implementation

www.laurentluce.com/posts/python-string-objects-implementation/

48 / 216

http://www.laurentluce.com/posts/python-string-objects-implementation/








- "Диспатчинг"

5. "Диспатчинг" вместо каскадов условий /dispatching

49 / 216









Компенсируем отсутствие case использованием словарей.

50 / 216










Рассмотрим пример:

r = 0for i in range(10000000): x = i % 10 if x == 0: pass elif x == 1: r = r + 1 elif x == 2: r = r + 2 elif x == 3: r = r + 3 elif x == 4: r = r + 4 elif x == 5: r = r + 5 elif x == 6: r = r + 6 elif x == 7: r = r + 7 elif x == 8: r = r + 8 elif x == 9: r = r + 9

51 / 216










Рассмотрим пример:

r = 0for i in range(10000000): x = i % 10 if x == 0: pass elif x == 1: r = r + 1 elif x == 2: r = r + 2 elif x == 3: r = r + 3 elif x == 4: r = r + 4 elif x == 5: r = r + 5 elif x == 6: r = r + 6 elif x == 7: r = r + 7 elif x == 8: r = r + 8 elif x == 9: r = r + 9

Время выполнения: 4.513951063156128

52 / 216









Теперь пробуем сделать то же самое с помощью словаря.

53 / 216










dispatch_table = { 0: lambda r: r , 1: lambda r: r + 1 , 2: lambda r: r + 2 , 3: lambda r: r + 3 , 4: lambda r: r + 4 , 5: lambda r: r + 5 , 6: lambda r: r + 6 , 7: lambda r: r + 7 , 8: lambda r: r + 8 , 9: lambda r: r + 9 }r = 0for i in range(10000000): r = dispatch_table[i % 10](r)

54 / 216











Время выполнения: 3.8208770751953125.

55 / 216











Время выполнения: 3.8208770751953125.

Таким образом время выполнения снизилось на 15%.

56 / 216








- Приведение типов

6. Приведение типов

57 / 216










>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("a = (x >= 3.14)", setup="x = 10", number=100000000)>>> 8.488232829986373

58 / 216










>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("a = (x >= 3.14)", setup="x = 10", number=100000000)>>> 8.488232829986373>>> >>> timeit("a = (x >= 3.14)", setup="x = 10.0", number=100000000)>>> 4.145244649000233

59 / 216










>>> from timeit import timeit>>> >>> timeit("a = (x >= 3.14)", setup="x = 10", number=100000000)>>> 8.488232829986373>>> >>> timeit("a = (x >= 3.14)", setup="x = 10.0", number=100000000)>>> 4.145244649000233

Прирост скорости 51%.

60 / 216









- Форматирование строк

7. Форматирование строк

In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:

61 / 216











In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:

In [5]: %timeit "." + x + ".." + y + "..." + z + "...."1000000 loops, best of 3: 453 ns per loop

In [6]:

62 / 216











In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:


In [6]:

In [7]: %timeit ".{}..{}...{}....".format(x, y, z)1000000 loops, best of 3: 615 ns per loop

In [8]:

63 / 216











In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:


In [6]:


In [8]:

In [9]: %timeit "".join((".", x, "..", y, "...", z, "...."))1000000 loops, best of 3: 287 ns per loop

In [10]:

64 / 216











In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:


In [6]:


In [8]:


In [10]: # ???

65 / 216











In [1]: x = "4827 f245fy24958fu204g9u240gi5 540245t 24590"

In [2]: y = "*() *Y)(u f-934u34 ut20349{)(I 09i 4309it243"

In [3]: z = "p908u54 -98u _(*U -09u 3409340t9i340it-4t-50"

In [4]:


In [6]:


In [8]:


In [10]:

In [11]: %timeit ".{0}..{1}...{2}....".format(x, y, z)1000000 loops, best of 3: 204 ns per loop

66 / 216










- Peephole

if x in [1, 2, 3]: x += 41 + 1

if x in (1, 2, 3): x += 42

8. Peephole-оптимизация

Какой код выполняется быстрее?

67 / 216










- Peephole

if x in [1, 2, 3]: x += 41 + 1

if x in (1, 2, 3): x += 42

LOAD_NAME (x)LOAD_CONST ((1, 2, 3))COMPARE_OP (in)POP_JUMP_IF_FALSE 25LOAD_NAME (x)LOAD_CONST (42)INPLACE_ADDSTORE_NAME (x)JUMP_FORWARD (to 25)LOAD_CONST (None)RETURN_VALUE




Воспользуемся модулем dis:

68 / 216










- Peephole

if x in [1, 2, 3]: x += 41 + 1

if x in (1, 2, 3): x += 42





Воспользуемся модулем dis:

Байт-код полностью совпадает.

69 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 )



x = (1, 2, 3) * 6 . .

70 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 )



LOAD_CONST (( 1, 2, 3 , 1, 2, 3 , 1, 2, 3 , 1, 2, 3 , 1, 2, 3 , 1, 2, 3 ))STORE_NAME (x)LOAD_CONST (None)RETURN_VALUE


x = (1, 2, 3) * 6 . .

71 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 )





Байт-код снова полностью совпадает.

x = (1, 2, 3) * 6 . .

72 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3 )



x = (1, 2, 3) * 7 . . .

73 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3 )



x = (1, 2, 3) * 10 # ???

x = (1, 2, 3) * 7 . . .

74 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3 )



x = (1, 2, 3) * 10 # ???

x = (1, 2, 3) * 100 # ???

x = (1, 2, 3) * 7 . . .

75 / 216










- Peephole

x = ( 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3, 1, 2, 3 , 1, 2, 3 )



x = (1, 2, 3) * 10 # ???

x = (1, 2, 3) * 100 # ???

x = (1, 2, 3) * 1000000 # ???

x = (1, 2, 3) * 7 . . .

76 / 216










- Peephole

sec_in_week = 7 * 24 * 60 * 60 sec_in_week = 604800


Вы должны понимать, что оптимизации вроде

бесполезны, так как компилятор делает их сам.

77 / 216










- Peephole

- Другиемикрооптимизации

Примеры других микрооптимизаций

78 / 216










- Peephole



for i in my_list: yield i

yield from my_list .

79 / 216










- Peephole




func(1)func(2)func(3)


for i in (1, 2, 3): func(i) .

80 / 216










- Peephole





x if x else y x or y


for i in (1, 2, 3): func(i) .

81 / 216










- Peephole





x if x else y x or y

x == Noney != None

x is Noney is not None


for i in (1, 2, 3): func(i) .

82 / 216

Часть 2

Оптимизации

83 / 216


2. Оптимизации

- Вступление

Для начала рассмотрим пример, который будеммодифицировать.

84 / 216





class Test(object):

def __init__(self, x, y, z): self.x = x self.y = y self.z = z

def calc(self, p): return (self.x + self.y * p) / self.z

85 / 216





class Test(object):



result = 0test = Test(123, 456, 789)

for i in range(10000000): result += test.calc(i)

86 / 216





class Test(object):



result = 0test = Test(123, 456, 789)


87 / 216





class Test(object):

def __init__(self, x, y, z): self.x, self.y, self.z = x, y, z


result = 0test = Test(123, 456, 789)


88 / 216





class Test(object):



result = 0test = Test(123, 456, 789)


Время выполнения данного кода: 5.3768229484558105

89 / 216




- Слоты

1. Слоты

90 / 216




- Слоты

1. Слоты

class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"



result = 0test = Test(123, 456, 789)


91 / 216




- Слоты

1. Слоты

class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"



result = 0test = Test(123, 456, 789)



92 / 216




- Слоты

1. Слоты

class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"



result = 0test = Test(123, 456, 789)



Прирост производительности относительно изначального варианта:17.5%

93 / 216




- Слоты

1. Слоты

class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z", "__dict__"



result = 0test = Test(123, 456, 789)



Прирост производительности относительно изначального варианта:17.5%

94 / 216




- Слоты

- Поиск метода

2. Устраняем поиск метода (lookup)

95 / 216




- Слоты



class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"



result = 0test = Test(123, 456, 789)calc = test.calc

for i in range(10000000): result += calc(i)

96 / 216




- Слоты



class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"






97 / 216




- Слоты



class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"






Прирост производительности:относительно предыдущего варианта: 9.2%

98 / 216




- Слоты



class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"







относительно изначального варианта: 25.1%

99 / 216




- Слоты


- Глобальные переменные

3. Избавляемся от глобальных переменных

100 / 216




- Слоты




class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"



def run(): result = 0 test = Test(123, 456, 789) calc = test.calc

for i in range(10000000): result += calc(i)run()

101 / 216




- Слоты




class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"






102 / 216




- Слоты




class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"






Прирост производительности:относительно предыдущего варианта: 19%

103 / 216




- Слоты




class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z"







относительно первого варианта: 39.3%

104 / 216




- Слоты



- Замыкания

4. Используем замыкания

105 / 216




- Слоты





def Test(x, y, z): def calc(p): return (x + y * p) / z return calc

def run(): result = 0 calc = Test(123, 456, 789)


run()

106 / 216




- Слоты








run()


107 / 216




- Слоты








run()



108 / 216




- Слоты








run()




109 / 216




- Слоты




- Списочная обработка

5. Используем списочную обработку вместо циклов:map, list comprehensions, sum, и т.п. . .

110 / 216




- Слоты







def run(): calc = Test(123, 456, 789) result = sum(map(calc, range(10000000)))

run()

111 / 216




- Слоты








run()


112 / 216




- Слоты








run()



113 / 216




- Слоты








run()




114 / 216




- Слоты





- ????

И вроде бы пора остановится, но. . .

115 / 216




- Слоты





- ????

И вроде бы пора остановится, но. . .

Мы ухудшили гибкость и красоту кода, избавившись от ООП.Хотелось бы сохранить полноценный класс, при этом получивскорость замыканий.

116 / 216




- Слоты





- Замыкания v2

Замыкания в методах класса

117 / 216




- Слоты







class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z", "calc"

def __init__(self, x, y, z): self.x, self.y, self.z = x, y, z self.calc = self._calc_gen(x, y, z)

@staticmethod def _calc_gen(x, y, z): def calc(p): return (x + y * p) / z return calc

def run(): calc = Test(123, 456, 789).calc result = sum(map(calc, range(10000000)))

run()

118 / 216




- Слоты







class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z", "calc"




run()


119 / 216




- Слоты







class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z", "calc"




run()



120 / 216




- Слоты







class Test(object):

__slots__ = "x", "y", "z", "calc"




run()



относительно первоначального варианта: 55.2%

121 / 216




- Слоты







class Test(object):

....

def _get_x(self): return self._x

def _get_y(self): return self._y

def _get_z(self): return self._z

def _set_x(self, x): self._x = x self.calc = self._calc_gen(x, self._y, self._z)

def _set_y(self, y): self._y = y self.calc = self._calc_gen(self._x, y, self._z)

def _set_z(self, z): self._z = z self.calc = self._calc_gen(self._x, self._y, z)

x, y, z = ( property(fget=_get_x, fset=_set_x) , property(fget=_get_y, fset=_set_y) , property(fget=_get_z, fset=_set_z) )

...

122 / 216




- Слоты





- Сравнительный анализ

Сводная таблица с результатами

Описание время пред.* перв.**Изначальный вариант 5.38 С использованием слотов 4.43 17.5% 17.5%Вынос поиска метода за цикл 4.03 9.2% 25.1%Избавление от глобальных переменных 3.26 19.0% 39.3%Сохранение параметров в замыкании 2.65 18.7% 50.7%Использование sum и map 2.41 9.2% 55.2%Замыкания в методах класса 2.41 0% 55.2%

* - прирост производительности относительно предыдущего варианта,

** - относительно первоначального варианта

123 / 216




- Слоты







Инструменты и материалы, используемые приоптимизации

124 / 216




- Слоты








Сложность стандартных операций в Python

wiki.python.org/moin/TimeComplexity

125 / 216

https://wiki.python.org/moin/TimeComplexity





- Слоты








Сложность операций в Python (подробнее)

www.ics.uci.edu/~pattis/ICS-33/lectures/complexitypython.txt

126 / 216

https://www.ics.uci.edu/~pattis/ICS-33/lectures/complexitypython.txt





- Слоты








Библиотека big_O

github.com/pberkes/big_O

Позволяет оценивать сложность (в "Big O"-нотации) выполненияpython-кода на основе времени выполнения в зависимости от

входных параметров.127 / 216

https://github.com/pberkes/big_O


Часть 3

"Мегаоптимизации"

128 / 216



3. "Мега-оптимизации"

Вступление

Мы будем говорить о манипуляцих с кодом,кодогенерации и дополнительных инструментах, неподразумевающих смену платформы.

но, для начала. . .

129 / 216





Забудьте всё, о чем мы говорили ранее!

130 / 216






131 / 216






132 / 216





Представьте, что все оптимизации,которые возможно автоматизировать (аэто очень многие) производились быавтоматически при добавлении всегонескольких строк кода в ваш проект.

133 / 216





Представьте, что все оптимизации,которые возможно автоматизировать (аэто очень многие) производились быавтоматически при добавлении всегонескольких строк кода в ваш проект.

И давайте порассуждаем на тему статическихоптимизаторов для python.

134 / 216





Статическиеоптимизаторы

Статические оптимизаторы

Тезисы:

135 / 216







Тезисы:

Позволят автоматически и прозрачно для пользователяпроизводить над кодом различные оптимизации (в том числеперечисленные в предыдущих частях презентации), при этом,не "уродуя" исходный код.

136 / 216







Тезисы:


Могут быть основаны на анализе и модификации AST и/илибайт-кода.

137 / 216







Тезисы:



Наличие таковых как минимум странно для динамическогоязыка.

138 / 216







Тезисы:




Для python их существование невозможно без нарушениясемантики языка.

139 / 216







Тезисы:





Для того, чтобы возможно было их использовать, необходимоналожить некоторые ограничения на оптимизируемый код.

140 / 216







Тезисы:





Для того, чтобы возможно было их использовать, необходимоналожить некоторые ограничения на оптимизируемый код.

Пока нет готовых к полноценному использованиюстатических оптимизаторов для python.

141 / 216






Ограничения, налагаемые на код при использованиистатического оптимизатора:

142 / 216







Должно быть очень много тестов, в идеале всё (или почтивсё) должно быть покрыть тестами.

143 / 216







Должно быть очень много тестов, в идеале всё (или почти всё)должно быть покрыть тестами.

Не должно быть других модификаторов AST и/или байт-кода.

144 / 216









Не должно быть динамически исполняемого кода (exec /eval), влияющих на поток исполнения или состав объектов/типов.

145 / 216










Остальные ограничения сильно зависят от оптимизаторов иоптимизаций, в качестве примеров:

146 / 216











не должно быть подмены стандарных функций, типов имодулей;

147 / 216











не должно быть подмены стандарных функций, типов имодулей;

не должно быть перегрузки некоторых операторов дляиспользования со встроенными типами (литералами) *

* Например, сложение с числом какой-либо переменной не должно означать ничего, кромесложения с числом

148 / 216






astoptimizer

Первой известной попыткой создания статического оптимизаторадля python был проект astoptimizer(pypi.python.org/pypi/astoptimizer).

Проект не был принят сообществом как раз из-за того, что нарушалсемантику кода, например, происходили замены вроде:

len("abc") -> 3,

при этом не учитывалось, что len можно было подменить и тогдакод становился некорректным.

149 / 216

https://pypi.python.org/pypi/astoptimizer






opyum

Статический оптимизатор для python, основанный на анализе имодификации AST.

github.com/Amper/opyum

150 / 216

https://github.com/Amper/opyum







opyum

Преимущества:

Command-line mode - отображает оптимизированный код наоснове исходного либо формирует diff между исходным:

151 / 216






opyum



$ opyum diff example.py --app "ksdiff"

152 / 216






opyum



$ opyum diff example.py --app "ksdiff"

153 / 216






opyum


Command-line mode - отображает оптимизированный код наоснове исходного либо формирует diff между исходным.

Простое использование в нескольких вариантах:

import opyumopyum.activate()

# other imports

154 / 216






opyum





# other imports

@opyum.optimizedef function_for_optimize(): ...

155 / 216






opyum





# other imports

@opyum.optimizedef function_for_optimize(): ...

with opyum.activate: # optimized imports

# other imports

156 / 216






opyum



Простое использование в нескольких вариантах.

Расширяемость:

import opyum

class MyOptimization(opyum.ASTOptimization):

def visit_Node(self, node): ...

opyum.install(MyOptimization)opyum.uninstall("CustomConstantPropagation")

157 / 216






opyum




Расширяемость.

Автор :)

158 / 216






opyum

Недостатки:

159 / 216






opyum


Те же, что и у astoptimizer (нарушение семантики языка).

160 / 216






opyum



Ужасные-ужасные костыли в коде, которые позволяютмодифицировать байт-код на лету с помощью декораторов иимпорт-хуков.

161 / 216






opyum




Неоптимальность (выполняет отдельный проход по AST длякаждой оптмизации).

162 / 216






opyum




Неоптимальность (выполняет отдельный проход по AST длякаждой оптмизации).

Py3-only.

163 / 216






opyum

Оптимизации, реализованные на текущий момент:

164 / 216






opyum


1. Свертка констант (constant folding).

165 / 216






opyum



2. Протяжка констант (constant propagation).

166 / 216






opyum




3. Удаление "мертвого" кода (dead code elimination).

167 / 216






opyum





4. Проставление позиций в форматировании строк.

168 / 216






opyum






5. Замена умножения сложением.

169 / 216






opyum







6. Замена возведения в степень умножением.

170 / 216






opyum








7. Замена yield на yield from.

171 / 216






opyum








7. Замена yield на yield from.

8. Сохранение глобальных функций в замыкании.

172 / 216






FAT Python

Очень амбициозный проект, имеющий, как мне кажется, большоебудущее.

faster-cpython.readthedocs.org/fat_python.html

173 / 216

https://faster-cpython.readthedocs.org/fat_python.html

https://faster-cpython.readthedocs.org/fat_python.html






FAT Python

Проект включает в себя несколько элементов:

174 / 216






FAT Python


Статический оптимизатор (fatoptimizer) для Python 3.6

175 / 216

https://fatoptimizer.readthedocs.org/






FAT Python



Модуль fat, реализующий концепцию "охранников" (guards).

176 / 216


https://fatoptimizer.readthedocs.org/en/latest/fat.html






FAT Python




PEP-ы:PEP 509: Add a private version to dict;

PEP 510: Specialized functions with guards;

PEP 511: API for AST transformers.

177 / 216



https://www.python.org/dev/peps/pep-0509/








FAT Python







Патчи для Python 3.6, реализующие вышеуказанные PEP.

178 / 216











FAT Python







Патчи для Python 3.6, реализующие вышеуказанные PEP.

Это попытка реализовать статический оптимизатор для Python безпроблем, возникающих в astoptimizer и opyum.

179 / 216











FAT Python


180 / 216






FAT Python


Почти не нарушает семантику Python ("сомнительные"оптимизации отключены в умолчательной конфигурации).

181 / 216






FAT Python



PEP 0511, который значительно сократит количество"странного" кода в проектах, использующих модификациюAST.

182 / 216






FAT Python




Оптимальность (не выполняет отдельный проход по AST длякаждой оптимизации).

183 / 216






FAT Python




Оптимальность (не выполняет отдельный проход по AST длякаждой оптимизации).

Хорошая документация.

184 / 216






FAT Python


185 / 216






FAT Python


На текущий момент работает только на Python 3.6 соспециальными патчами.

186 / 216






FAT Python



PEP пока в состоянии draft и могут быть не приняты.

187 / 216






FAT Python



PEP пока в состоянии draft и могут быть не приняты.

Нерасширяемость (не позволяет дописывать кастомныеоптимизации).

188 / 216






FAT Python

Оптимизации:

189 / 216






FAT Python


1. Свертка констант / constant folding (в том числе заменавызовов "чистых" функций над константами на их значения).

190 / 216






FAT Python



2. Разворачивание циклов и списковых включений / loopunrolling.

191 / 216






FAT Python




3. Распространение костант / constant propagation.

192 / 216






FAT Python





4. Удаление мертвого кода / dead code elimination.

193 / 216






FAT Python






5. Получение встроенных функций как констант (LOAD_GLOBALв байт-коде заменяется на LOAD_CONST).

194 / 216






FAT Python






5. Получение встроенных функций как констант (LOAD_GLOBAL вбайт-коде заменяется на LOAD_CONST).

6. Инлайнинг функций / function inlining.

195 / 216






FAT Python

Презентация от автора:

FAT Python - New static optimizer for CPython 3.6

https://fosdem.org/2016/schedule/event/fat_python/

196 / 216

https://fosdem.org/2016/schedule/event/fat_python/attachments/slides/1190/export/events/attachments/fat_python/slides/1190/fat_python.pdf

https://fosdem.org/2016/schedule/event/fat_python/






cpmoptimize

cpmoptimize

Автоматическая оптимизация алгоритмов в Python спомощью быстрого возведения матриц в степень.

github.com/borzunov/cpmoptimize

197 / 216

https://github.com/borzunov/cpmoptimize







cpmoptimize

cpmoptimize

Подходит для расчетов, основанных на рекурентном соотношениии/или простых арифметических операциях в циклах.

При этом используется модификация байт-кода.

В качестве примера: Числа фиббоначи, Сумма степеней числа.

Подробнее:

Статья: habrahabr.ru/post/236689/

Презентация: www.slideshare.net/daryazubova96/ltjh-cpmoptimize

Статья, из которой родился алгоритм: habrahabr.ru/post/148901/

198 / 216

https://habrahabr.ru/post/236689/

http://www.slideshare.net/daryazubova96/ltjh-cpmoptimize

https://habrahabr.ru/post/148901/






cpmoptimize

cpmoptimize

def func1(n): r = 0 k = 1 for i in xrange(n): r += k k *= 2 return r

199 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize


def func2(n): return sum(2 ** i for i in xrange(n))

200 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize



def func3(n): return reduce(lambda x, y: x * y + 1, (2, ) * (n - 1), 1)

201 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize



def func3(n): return reduce(lambda x, y: x * y + 1, (2, ) * (n - 1), 1)

func4 = cpmoptimize()(func1) # декоратор

202 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize

In [1]: %timeit [func1(10 ** n) for n in xrange(1, 6)]1 loops, best of 3: 422 ms per loop

In [2]: 'func1: 422 ms' # for

203 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize


In [2]: 'func1: 422 ms' # for

In [3]: %timeit [func2(10 ** n) for n in xrange(1, 6)]1 loops, best of 3: 14.5 s per loop

In [4]: 'func2: 14.5 s' # sum

204 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize


In [2]: 'func1: 422 ms' # for


In [4]: 'func2: 14.5 s' # sum


In [6]: 'func3: 378 ms' # reduce

205 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize


In [2]: 'func1: 422 ms' # for


In [4]: 'func2: 14.5 s' # sum



In [7]: %timeit [func4(10 ** n) for n in xrange(1, 6)]100 loops, best of 3: 3.43 ms per loop

In [8]: 'func4: 3.43 ms' # for + cpmoptimize

206 / 216






cpmoptimize

cpmoptimize


In [2]: 'func1: 422 ms' # for


In [4]: 'func2: 14.5 s' # sum



In [7]: %timeit [func4(10 ** n) for n in xrange(1, 6)]100 loops, best of 3: 3.43 ms per loop

In [8]: 'func4: 3.43 ms' # for + cpmoptimize

С использованием cpmoptimize получаем код в 110 раз быстреесамого быстрого pure-python варианта.

207 / 216






cpmoptimize

numba

numba

NumPy aware dynamic Python compiler using LLVM

numba.pydata.org

208 / 216

http://numba.pydata.org/







cpmoptimize

numba

numba

Использует LLVM для JIT-компиляции.

from numba import jitfrom numpy import arange

# jit decorator tells Numba to compile this function.# The argument types will be inferred by Numba when # function is called.

@jitdef sum2d(arr): M, N = arr.shape result = 0.0 for i in range(M): for j in range(N): result += arr[i, j] return result

a = arange(9).reshape(3, 3)print(sum2d(a))

209 / 216






cpmoptimize

numba

pythran

pythran

A claimless python to c++ converter

github.com/serge-sans-paille/pythran

210 / 216

https://github.com/serge-sans-paille/pythran






cpmoptimize

numba

pythran

nuitka

nuitka

Компилятор python в с++.

nuitka.net

211 / 216

http://nuitka.net/

http://nuitka.net/

Спасибо за внимание!

Готов выслушать ваши вопросы, пожелания,предложения, замечания, исправления, угрозы и

проклятия.

А так же их можно задать по почте:

[email protected]

212 / 216

mailto:[email protected]

Ссылки и материалы

213 / 216

Ссылки

доклады и статьи на тему оптимизации Python-кода:

Сверхоптимизация кода на Python - Иван РемизовHigh Performance Python - Marc GarciaExpensive lessons in Python performance tuning - Alex RubinsteynPython performance optimization - CLiPSProfiling Python in Production - Eben FreemanOptimizing Python in the Real World: NumPy, Numba, and the NUFFT - Jake VanderplasMicro-Optimizations in Python Code: Speeding Up Lookups - James SaryerwinnieHow to Make Python Faster Without Trying That Much - Saulius Lukauskas

214 / 216

http://2015.codefest.ru/lecture/1033

http://www.slideshare.net/MarcGarcia11/high-performance-python-marc-garcia

http://blog.explainmydata.com/2012/07/expensive-lessons-in-python-performance.html

http://www.clips.ua.ac.be/tutorials/python-performance-optimization

https://nylas.com/blog/performance

https://jakevdp.github.io/blog/2015/02/24/optimizing-python-with-numpy-and-numba/

http://jamesls.com/micro-optimizations-in-python-code-speeding-up-lookups.html

http://lukauskas.co.uk/articles/2014/02/12/how-to-make-python-faster-without-trying-that-much/

Ссылки

проекты, связанные с оптимизацией Python-кода:

fatoptimizer - static optimizer specializing functions with guards for Python 3.6.opyum - статический оптимизатор python-кода.cpmoptimize - decorator for automatic algorithm optimization via fast matrixexponentiation.numexpr - fast numerical array expression evaluator for Python, NumPy, PyTables,pandas, bcolz and more.numba - NumPy aware dynamic Python compiler using LLVM.pythran - a claimless python to c++ converter.theano - python library that allows you to define, optimize, and evaluate mathematicalexpressions involving multi-dimensional arrays efficiently.nuitka - python to c++ compiler.big_O - python module to estimate big-O time complexity from execution time.pyston - an open-source Python implementation using JIT techniques.cython - optimising static compiler for both the Python programming language and theextended Cython programming language (based on Pyrex).

215 / 216

https://fatoptimizer.readthedocs.org/en/latest/



https://github.com/pydata/numexpr


https://github.com/serge-sans-paille/pythran

https://github.com/Theano/Theano

http://nuitka.net/


https://github.com/dropbox/pyston

http://cython.org/

Ссылки

обучающие материалы:

The internals of Python string interningPython string objects implementationМодуль disМодуль timeitСложность стандартных операций в PythonСложность операций в Python (подробнее)Python internals: how callables workPython Performance Tips

216 / 216



https://docs.python.org/3/library/dis.html

https://docs.python.org/3/library/timeit.html



http://eli.thegreenplace.net/2012/03/23/python-internals-how-callables-work

https://wiki.python.org/moin/PythonSpeed/PerformanceTips

Technology

Оптимизация производительности Python