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10个Pandas的另类数据处理技巧

本文所整理的技巧与以前整理过10个Pandas的常用技巧不同,你可能并不会经常的使用它,但是有时候当你遇到一些非常棘手的问题时,这些技巧可以帮你快速解决一些不常见的问题。

1、Categorical类型

默认情况下,具有有限数量选项的列都会被分配object 类型。 但是就内存来说并不是一个有效的选择。 我们可以这些列建立索引,并仅使用对对象的引用而实际值。Pandas 提供了一种称为 Categorical的Dtype来解决这个问题。

例如一个带有图片路径的大型数据集组成。 每行有三列:anchor, positive, and negative.。

如果类别列使用 Categorical 可以显着减少内存使用量。

 # raw data
 +----------+------------------------+
 |  class   |        filename        |
 +----------+------------------------+
 |Bathroom|Bathroom\bath_1.jpg    |
 |Bathroom|Bathroom\bath_100.jpg  |
 |Bathroom|Bathroom\bath_1003.jpg|
 |Bathroom|Bathroom\bath_1004.jpg|
 |Bathroom|Bathroom\bath_1005.jpg|
 +----------+------------------------+
 
 # target
 +------------------------+------------------------+----------------------------+
 |         anchor         |        positive        |          negative          |
 +------------------------+------------------------+----------------------------+
 |Bathroom\bath_1.jpg    |Bathroom\bath_100.jpg  |Dinning\din_540.jpg        |
 |Bathroom\bath_100.jpg  |Bathroom\bath_1003.jpg|Dinning\din_1593.jpg       |
 |Bathroom\bath_1003.jpg|Bathroom\bath_1004.jpg|Bedroom\bed_329.jpg        |
 |Bathroom\bath_1004.jpg|Bathroom\bath_1005.jpg|Livingroom\living_1030.jpg|
 |Bathroom\bath_1005.jpg|Bathroom\bath_1007.jpg|Bedroom\bed_1240.jpg       |
 +------------------------+------------------------+----------------------------+

filename列的值会经常被复制重复。因此,所以通过使用Categorical可以极大的减少内存使用量。

让我们读取目标数据集,看看内存的差异:

 triplets.info(memory_usage="deep")
 
 #   Column    Non-Null Count   Dtype   
 # ---  ------    --------------   -----   
 #  0   anchor    525000 non-null  category
 #  1   positive  525000 non-null  category
 #  2   negative  525000 non-null  category
 # dtypes: category(3)
 # memory usage: 4.6 MB
 
 # without categories
 triplets_raw.info(memory_usage="deep")
 
 #   Column    Non-Null Count   Dtype 
 # ---  ------    --------------   ----- 
 #  0   anchor    525000 non-null  object
 #  1   positive  525000 non-null  object
 #  2   negative  525000 non-null  object
 # dtypes: object(3)
 # memory usage: 118.1 MB

差异非常大,并且随着重复次数的增加,差异呈非线性增长。

2、行列转换

sql中经常会遇到行列转换的问题,Pandas有时候也需要,让我们看看来自Kaggle比赛的数据集。census_start .csv文件:

可以看到,这些按年来保存的,如果有一个列year和pct_bb,并且每一行有相应的值,则会好得多,对吧。

 cols=sorted([colforcolinoriginal_df.columns \
               ifcol.startswith("pct_bb")])
 df=original_df[(["cfips"] +cols)]
 df=df.melt(id_vars="cfips",
              value_vars=cols,
              var_name="year",
              value_name="feature").sort_values(by=["cfips", "year"])

看看结果,这样是不是就好很多了:

3、apply()很慢

我们上次已经介绍过,最好不要使用这个方法,因为它遍历每行并调用指定的方法。但是要是我们没有别的选择,那还有没有办法提高速度呢?

可以使用swifter或pandarallew这样的包,使过程并行化。

Swifter

 importpandasaspd
 importswifter
 
 deftarget_function(row):
     returnrow*10
 
 deftraditional_way(data):
     data['out'] =data['in'].apply(target_function)
 
 defswifter_way(data):
     data['out'] =data['in'].swifter.apply(target_function)

Pandarallel

 importpandasaspd
 frompandarallelimportpandarallel
 
 deftarget_function(row):
     returnrow*10
 
 deftraditional_way(data):
     data['out'] =data['in'].apply(target_function)
 
 defpandarallel_way(data):
     pandarallel.initialize()
     data['out'] =data['in'].parallel_apply(target_function)

通过多线程,可以提高计算的速度,当然当然,如果有集群,那么最好使用dask或pyspark

4、空值,int, Int64

标准整型数据类型不支持空值,所以会自动转换为浮点数。所以如果数据要求在整数字段中使用空值,请考虑使用Int64数据类型,因为它会使用pandas.NA来表示空值。

5、Csv, 压缩还是parquet?

尽可能选择parquet。parquet会保留数据类型,在读取数据时就不需要指定dtypes。parquet文件默认已经使用了snappy进行压缩,所以占用的磁盘空间小。下面可以看看几个的对比

 |        file            |  size   |
 +------------------------+---------+
 |triplets_525k.csv      |38.4MB|
 |triplets_525k.csv.gzip|  4.3MB|
 |triplets_525k.csv.zip  |  4.5MB|
 |triplets_525k.parquet  |  1.9MB|
 +------------------------+---------+

读取parquet需要额外的包,比如pyarrow或fastparquet。chatgpt说pyarrow比fastparquet要快,但是我在小数据集上测试时fastparquet比pyarrow要快,但是这里建议使用pyarrow,因为pandas 2.0也是默认的使用这个。

6、value_counts ()

计算相对频率,包括获得绝对值、计数和除以总数是很复杂的,但是使用value_counts,可以更容易地完成这项任务,并且该方法提供了包含或排除空值的选项。

 df = pd.DataFrame({"a": [1, 2, None], "b": [4., 5.1, 14.02]})
 df["a"] = df["a"].astype("Int64")
 print(df.info())
 print(df["a"].value_counts(normalize=True, dropna=False),
       df["a"].value_counts(normalize=True, dropna=True), sep="\n\n")

这样是不是就简单很多了

7、Modin

注意:Modin现在还在测试阶段。

pandas是单线程的,但Modin可以通过缩放pandas来加快工作流程,它在较大的数据集上工作得特别好,因为在这些数据集上,pandas会变得非常缓慢或内存占用过大导致OOM。

 !pip install modin[all] 
 
 import modin.pandas as pd
 df = pd.read_csv("my_dataset.csv")

以下是modin官网的架构图,有兴趣的研究把:

8、extract()

如果经常遇到复杂的半结构化的数据,并且需要从中分离出单独的列,那么可以使用这个方法:

 importpandasaspd
 
 regex= (r'(?P<title>[A-Za-z\'\s]+),'
          r'(?P<author>[A-Za-z\s\']+),'
          r'(?P<isbn>[\d-]+),'
          r'(?P<year>\d{4}),'
          r'(?P<publisher>.+)')
 addr=pd.Series([
     "The Lost City of Amara,Olivia Garcia,978-1-234567-89-0,2023,HarperCollins",
     "The Alchemist's Daughter,Maxwell Greene,978-0-987654-32-1,2022,Penguin Random House",
     "The Last Voyage of the HMS Endeavour,Jessica Kim,978-5-432109-87-6,2021,Simon & Schuster",
     "The Ghosts of Summer House,Isabella Lee,978-3-456789-12-3,2000,Macmillan Publishers",
     "The Secret of the Blackthorn Manor,Emma Chen,978-9-876543-21-0,2023,Random House Children's Books"
  ])
 addr.str.extract(regex)

9、读写剪贴板

这个技巧有人一次也用不到,但是有人可能就是需要,比如:在分析中包含PDF文件中的表格时。通常的方法是复制数据,粘贴到Excel中,导出到csv文件中,然后导入Pandas。但是,这里有一个更简单的解决方案:pd.read_clipboard()。我们所需要做的就是复制所需的数据并执行一个方法。

有读就可以写,所以还可以使用to_clipboard()方法导出到剪贴板。

但是要记住,这里的剪贴板是你运行python/jupyter主机的剪切板,并不可能跨主机粘贴,一定不要搞混了。

10、数组列分成多列

假设我们有这样一个数据集,这是一个相当典型的情况:

 import pandas as pd
 df = pd.DataFrame({"a": [1, 2, 3],
               "b": [4, 5, 6],
               "category": [["foo", "bar"], ["foo"], ["qux"]]})
 
 # let's increase the number of rows in a dataframe
 df = pd.concat([df]*10000, ignore_index=True)

我们想将category分成多列显示,例如下面的

先看看最慢的apply:

 def dummies_series_apply(df):
     return df.join(df['category'].apply(pd.Series) \
                                  .stack() \
                                  .str.get_dummies() \
                                  .groupby(level=0) \
                                  .sum()) \
              .drop("category", axis=1)
 %timeit dummies_series_apply(df.copy())
 #5.96 s ± 66.6 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1 loop each)

sklearn的MultiLabelBinarizer

 from sklearn.preprocessing import MultiLabelBinarizer
 def sklearn_mlb(df):
     mlb = MultiLabelBinarizer()
     return df.join(pd.DataFrame(mlb.fit_transform(df['category']), columns=mlb.classes_)) \
              .drop("category", axis=1)
 %timeit sklearn_mlb(df.copy())
 #35.1 ms ± 1.31 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)

是不是快了很多,我们还可以使用一般的向量化操作对其求和:

 def dummies_vectorized(df):
     return pd.get_dummies(df.explode("category"), prefix="cat") \
              .groupby(["a", "b"]) \
              .sum() \
              .reset_index()
 %timeit dummies_vectorized(df.copy())
 #29.3 ms ± 1.22 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)

使用第一个方法(在StackOverflow上的回答中非常常见)会给出一个非常慢的结果。而其他两个优化的方法的时间是非常快速的。

总结

我希望每个人都能从这些技巧中学到一些新的东西。重要的是要记住尽可能使用向量化操作而不是apply()。此外,除了csv之外,还有其他有趣的存储数据集的方法。不要忘记使用分类数据类型,它可以节省大量内存。感谢阅读!

作者:Dmytro Samchuk

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