4.1 Numpy优势
学习目标
- 目标
- 了解Numpy运算速度上的优势
- 知道Numpy的数组内存块风格
- 知道Numpy的并行化运算
- 应用
- 机器学习,深度学习各种框架的基础库
1 Numpy介绍
Numpy（Numerical Python）是一个开源的Python科学计算库，用于快速处理任意维度的数组。
Numpy支持常见的数组和矩阵操作。对于同样的数值计算任务，使用Numpy比直接使用Python要简洁的多。
Numpy使用ndarray对象来处理多维数组，该对象是一个快速而灵活的大数据容器。
2 ndarray介绍
NumPy provides an N-dimensional array type, the ndarray, which describes a collection of “items” of the same type.
NumPy提供了一个N维数组类型ndarray，它描述了相同类型的“items”的集合。
用ndarray进行存储：
import numpy as np
# 创建ndarray
score = np.array([[80, 89, 86, 67, 79],
[78, 97, 89, 67, 81],
[90, 94, 78, 67, 74],
[91, 91, 90, 67, 69],
[76, 87, 75, 67, 86],
[70, 79, 84, 67, 84],
[94, 92, 93, 67, 64],
[86, 85, 83, 67, 80]])
score
返回结果：
array([[80, 89, 86, 67, 79],
[78, 97, 89, 67, 81],
[90, 94, 78, 67, 74],
[91, 91, 90, 67, 69],
[76, 87, 75, 67, 86],
[70, 79, 84, 67, 84],
[94, 92, 93, 67, 64],
[86, 85, 83, 67, 80]])
使用Python列表可以存储一维数组，通过列表的嵌套可以实现多维数组，那么为什么还需要使用Numpy的ndarray呢？
3 ndarray与Python原生list运算效率对比
在这里我们通过一段代码运行来体会到ndarray的好处
import random
import time
import numpy as np
a = []
for i in range(100000000):
a.append(random.random())
# 通过%time魔法方法, 查看当前行的代码运行一次所花费的时间
%time sum1=sum(a)
b=np.array(a)
%time sum2=np.sum(b)
其中第一个时间显示的是使用原生Python计算时间,第二个内容是使用numpy计算时间:
CPU times: user 852 ms, sys: 262 ms, total: 1.11 s
Wall time: 1.13 s
CPU times: user 133 ms, sys: 653 µs, total: 133 ms
Wall time: 134 ms
从中我们看到ndarray的计算速度要快很多，节约了时间。
机器学习的最大特点就是大量的数据运算，那么如果没有一个快速的解决方案，那可能现在python也在机器学习领域达不到好的效果。
Numpy专门针对ndarray的操作和运算进行了设计，所以数组的存储效率和输入输出性能远优于Python中的嵌套列表，数组越大，Numpy的优势就越明显。
思考：ndarray为什么可以这么快？
4 ndarray的优势
4.1 内存块风格
ndarray到底跟原生python列表有什么不同呢，请看一张图：
从图中我们可以看出ndarray在存储数据的时候，数据与数据的地址都是连续的，这样就给使得批量操作数组元素时速度更快。
这是因为ndarray中的所有元素的类型都是相同的，而Python列表中的元素类型是任意的，所以ndarray在存储元素时内存可以连续，而python原生list就只能通过寻址方式找到下一个元素，这虽然也导致了在通用性能方面Numpy的ndarray不及Python原生list，但在科学计算中，Numpy的ndarray就可以省掉很多循环语句，代码使用方面比Python原生list简单的多。
4.2 ndarray支持并行化运算（向量化运算）
4.3 效率远高于纯Python代码
Numpy底层使用C语言编写，内部解除了GIL（全局解释器锁），其对数组的操作速度不受Python解释器的限制，所以，其效率远高于纯Python代码。
5 小结
- numpy介绍【了解】
- 一个开源的Python科学计算库
- 计算器来要比python简洁高效
- Numpy使用ndarray对象来处理多维数组
- ndarray介绍【了解】
- NumPy提供了一个N维数组类型ndarray，它描述了相同类型的“items”的集合。
- 生成numpy对象:np.array()
- ndarray的优势【掌握】
- 内存块风格
- list -- 分离式存储,存储内容多样化
- ndarray -- 一体式存储,存储类型必须一样
- ndarray支持并行化运算（向量化运算）
- ndarray底层是用C语言写的,效率更高,释放了GIL
- 内存块风格