itertools.product比嵌套for循环慢
我正在尝试使用 itertools.product 函数来简化我代码中的一部分（这是一个同位素模式模拟器），希望这样能让代码更易读，同时也能提高速度（根据文档的说法，这个函数不会生成中间结果）。不过，我用 cProfiling 库对比了两种代码的运行速度，发现 itertools.product 的速度明显比我用嵌套的 for 循环慢。
测试时使用的示例值：
carbons = [(0.0, 0.004613223957020534), (1.00335, 0.02494768843632857), (2.0067, 0.0673219412049374), (3.0100499999999997, 0.12087054681917497), (4.0134, 0.16243239687902825), (5.01675, 0.17427700732161705), (6.020099999999999, 0.15550695260604208), (7.0234499999999995, 0.11869556397525197), (8.0268, 0.07911287899598853), (9.030149999999999, 0.04677626606764402)]
hydrogens = [(0.0, 0.9417611429667746), (1.00628, 0.05651245007201512)]
nitrogens = [(0.0, 0.16148864310897554), (0.99703, 0.2949830688288726), (1.99406, 0.26887643366755537), (2.99109, 0.16305943261399866), (3.98812, 0.0740163089529218), (4.98515, 0.026824040474519875), (5.98218, 0.008084687617425748)]
oxygens17 = [(0.0, 0.8269292736927519), (1.00422, 0.15717628899143962), (2.00844, 0.014907548827832968)]
oxygens18 = [(0.0, 0.3584191873916266), (2.00425, 0.36813434247849824), (4.0085, 0.18867830334103902), (6.01275, 0.06433912182670033), (8.017, 0.016421642936302827)]
sulfurs33 = [(0.0, 0.02204843659673093), (0.99939, 0.08442569434459646), (1.99878, 0.16131398792444965), (2.99817, 0.2050722764666321), (3.99756, 0.1951327596407101), (4.99695, 0.14824112268069747), (5.99634, 0.09365899226198841), (6.99573, 0.050618028523695714), (7.99512, 0.023888506307006133), (8.99451, 0.010000884811585533)]
sulfurs34 = [(0.0, 3.0106350597190195e-10), (1.9958, 6.747270089956428e-09), (3.9916, 7.54568412614702e-08), (5.9874, 5.614443102700176e-07), (7.9832, 3.1268212758750728e-06), (9.979, 1.3903197959791067e-05), (11.9748, 5.141248916434075e-05), (13.970600000000001, 0.0001626288218672788), (15.9664, 0.00044921518047309414), (17.9622, 0.0011007203440032396)]
sulfurs36 = [(0.0, 0.904828368500412), (3.99501, 0.0905009370374487)]
展示嵌套 for 循环的代码片段：
totals = []
for i in carbons:
for j in hydrogens:
for k in nitrogens:
for l in oxygens17:
for m in oxygens18:
for n in sulfurs33:
for o in sulfurs34:
for p in sulfurs36:
totals.append((i[0]+j[0]+k[0]+l[0]+m[0]+n[0]+o[0]+p[0], i[1]*j[1]*k[1]*l[1]*m[1]*n[1]*o[1]*p[1]))
展示使用 itertools.product 的代码片段：
totals = []
for i in itertools.product(carbons,hydrogens,nitrogens,oxygens17,oxygens18,sulfurs33,sulfurs34,sulfurs36):
massDiff = i[0][0]
chance = i[0][1]
for j in i[1:]:
massDiff += j[0]
chance = chance * j[1]
totals.append((massDiff,chance))
根据对每种方法运行10次的分析结果，嵌套 for 循环的平均时间大约是 0.8 秒，而 itertools.product 的平均时间大约是 1.3 秒。因此，我想问，我是不是错误地使用了 itertools.product 函数，还是说我应该继续使用嵌套的 for 循环？
-- 更新 --
我附上了我的两个 cProfile 结果：
# ITERTOOLS.PRODUCT APPROACH
420003 function calls in 1.306 seconds
Ordered by: standard name
ncalls tottime percall cumtime percall filename:lineno(function)
1 0.018 0.018 1.306 1.306 <string>:1(<module>)
1 1.246 1.246 1.289 1.289 IsotopeBas.py:64(option1)
420000 0.042 0.000 0.042 0.000 {method 'append' of 'list' objects}
1 0.000 0.000 0.000 0.000 {method 'disable' of '_lsprof.Profiler' objects}
还有：
# NESTED FOR LOOP APPROACH
420003 function calls in 0.830 seconds
Ordered by: standard name
ncalls tottime percall cumtime percall filename:lineno(function)
1 0.019 0.019 0.830 0.830 <string>:1(<module>)
1 0.769 0.769 0.811 0.811 IsotopeBas.py:78(option2)
420000 0.042 0.000 0.042 0.000 {method 'append' of 'list' objects}
1 0.000 0.000 0.000 0.000 {method 'disable' of '_lsprof.Profiler' objects}
3 个回答
3
我强烈怀疑，慢的原因在于每次通过 lambda 创建临时变量和函数时的开销，以及函数调用本身的开销。为了演示为什么你在第二种情况下做加法会更慢，我做了这个：
import dis
s = '''
a = (1, 2)
b = (2, 3)
c = (3, 4)
z = (a[0] + b[0] + c[0])
t = 0
t += a[0]
t += b[0]
t += c[0]
'''
x = compile(s, '', 'exec')
dis.dis(x)
这段代码的结果是：
<snip out variable declaration>
5 18 LOAD_NAME 0 (a)
21 LOAD_CONST 4 (0)
24 BINARY_SUBSCR
25 LOAD_NAME 1 (b)
28 LOAD_CONST 4 (0)
31 BINARY_SUBSCR
32 BINARY_ADD
33 LOAD_NAME 2 (c)
36 LOAD_CONST 4 (0)
39 BINARY_SUBSCR
40 BINARY_ADD
41 STORE_NAME 3 (z)
7 50 LOAD_NAME 4 (t)
53 LOAD_NAME 0 (a)
56 LOAD_CONST 4 (0)
59 BINARY_SUBSCR
60 INPLACE_ADD
61 STORE_NAME 4 (t)
8 64 LOAD_NAME 4 (t)
67 LOAD_NAME 1 (b)
70 LOAD_CONST 4 (0)
73 BINARY_SUBSCR
74 INPLACE_ADD
75 STORE_NAME 4 (t)
9 78 LOAD_NAME 4 (t)
81 LOAD_NAME 2 (c)
84 LOAD_CONST 4 (0)
87 BINARY_SUBSCR
88 INPLACE_ADD
89 STORE_NAME 4 (t)
92 LOAD_CONST 5 (None)
95 RETURN_VALUE
你可以看到，使用 += 进行加法时，比直接在代码中加法多了两个额外的操作。这些额外的操作是因为需要加载和存储变量的名字。我想这只是个开始，Antti Haapala 的代码在调用 C 语言的内置函数时，花费的时间比在 Python 中运行的时间还要多。在 Python 中，函数调用的开销是很大的。
5
我对这两个函数进行了计时，它们的额外代码非常少：
def nested_for(first_iter, second_iter):
for i in first_iter:
for j in second_iter:
pass
def using_product(first_iter, second_iter):
for i in product(first_iter, second_iter):
pass
它们的字节码指令很相似：
dis(nested_for)
2 0 SETUP_LOOP 26 (to 28)
2 LOAD_FAST 0 (first_iter)
4 GET_ITER
>> 6 FOR_ITER 18 (to 26)
8 STORE_FAST 2 (i)
3 10 SETUP_LOOP 12 (to 24)
12 LOAD_FAST 1 (second_iter)
14 GET_ITER
>> 16 FOR_ITER 4 (to 22)
18 STORE_FAST 3 (j)
4 20 JUMP_ABSOLUTE 16
>> 22 POP_BLOCK
>> 24 JUMP_ABSOLUTE 6
>> 26 POP_BLOCK
>> 28 LOAD_CONST 0 (None)
30 RETURN_VALUE
dis(using_product)
2 0 SETUP_LOOP 18 (to 20)
2 LOAD_GLOBAL 0 (product)
4 LOAD_FAST 0 (first_iter)
6 LOAD_FAST 1 (second_iter)
8 CALL_FUNCTION 2
10 GET_ITER
>> 12 FOR_ITER 4 (to 18)
14 STORE_FAST 2 (i)
3 16 JUMP_ABSOLUTE 12
>> 18 POP_BLOCK
>> 20 LOAD_CONST 0 (None)
22 RETURN_VALUE
以下是测试结果：
>>> timer = partial(timeit, number=1000, globals=globals())
>>> timer("nested_for(range(100), range(100))")
0.1294467518782625
>>> timer("using_product(range(100), range(100))")
0.4335527486212385
通过使用timeit和手动调用perf_counter进行的额外测试结果与上述结果一致。显然，使用product的速度明显比使用嵌套的for循环要慢。不过，根据之前答案中展示的测试，两个方法之间的差异与嵌套循环的数量成反比（当然，也与包含笛卡尔积的元组的大小有关）。
10
你原来的itertool代码在不必要的lambda上花了很多额外的时间，还手动构建了中间值的列表——很多这些都可以用内置功能来替代。
现在，里面的for循环确实增加了不少额外的开销：你可以试试下面的代码，性能和你原来的代码差不多：
for a in itertools.product(carbons,hydrogens,nitrogens,oxygens17,
oxygens18,sulfurs33,sulfurs34,sulfurs36):
i, j, k, l, m, n, o, p = a
totals.append((i[0]+j[0]+k[0]+l[0]+m[0]+n[0]+o[0]+p[0],
i[1]*j[1]*k[1]*l[1]*m[1]*n[1]*o[1]*p[1]))
下面的代码尽可能多地在CPython的内置部分运行，我测试过它和你的代码是等效的。特别是，这段代码使用zip(*iterable)来解压每个乘积结果；然后用reduce和operator.mul来计算乘积，用sum来求和；还有两个生成器来遍历列表。虽然for循环稍微快一点，但因为是硬编码的，长远来看可能不太适合你使用。
import itertools
from operator import mul
from functools import partial
prod = partial(reduce, mul)
elems = carbons, hydrogens, nitrogens, oxygens17, oxygens18, sulfurs33, sulfurs34, sulfurs36
p = itertools.product(*elems)
totals = [
( sum(massdiffs), prod(chances) )
for massdiffs, chances in
( zip(*i) for i in p )
]