雖然運(yùn)行速度慢是 Python 與生俱來的特點(diǎn)，大多數(shù)時(shí)候我們用 Python 就意味著放棄對(duì)性能的追求。但是，就算是用純 Python 完成同一個(gè)任務(wù)，老手寫出來的代碼可能會(huì)比菜鳥寫的代碼塊幾倍，甚至是幾十倍(這里不考慮算法的因素，只考慮語言方面的因素)。很多時(shí)候，我們將自己的代碼運(yùn)行緩慢地原因歸結(jié)于python本來就很慢，從而心安理得地放棄深入探究。

但是，事實(shí)真的是這樣嗎?面對(duì)python代碼，你有分析下面這些問題嗎：

程序運(yùn)行的速度如何?

程序運(yùn)行時(shí)間的瓶頸在哪里?

能否稍加改進(jìn)以提高運(yùn)行速度呢?

為了更好了解python程序，我們需要一套工具，能夠記錄代碼運(yùn)行時(shí)間，生成一個(gè)性能分析報(bào)告，方便徹底了解代碼，從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化(本篇側(cè)重于代碼性能分析，不關(guān)注如何優(yōu)化)。

誰快誰慢

假設(shè)有一個(gè)字符串，想將里面的空格替換為字符‘-’，用python實(shí)現(xiàn)起來很簡單，下面是四種方案：

def slowest_replace(): 
 
replace_list = [] 
 
for i, char in enumerate(orignal_str): 
 
c = char if char != " " else "-" 
 
replace_list.append(c) 
 
return "".join(replace_list) 
 
def slow_replace(): 
 
replace_str = "" 
 
for i, char in enumerate(orignal_str): 
 
c = char if char != " " else "-" 
 
replace_str += c 
 
return replace_str 
 
def fast_replace(): 
 
return "-".join(orignal_str.split()) 
 
def fastest_replace(): 
 
return orignal_str.replace(" ", "-") 

這四種方案的效率如何呢，哪種方案比較慢呢?這是一個(gè)問題!

時(shí)間斷點(diǎn)

最直接的想法是在開始 replace 函數(shù)之前記錄時(shí)間，程序結(jié)束后再記錄時(shí)間，計(jì)算時(shí)間差即為程序運(yùn)行時(shí)間。python提供了模塊 time，其中 time.clock() 在Unix/Linux下返回的是CPU時(shí)間(浮點(diǎn)數(shù)表示的秒數(shù))，Win下返回的是以秒為單位的真實(shí)時(shí)間(Wall-clock time)。

由于替換函數(shù)耗時(shí)可能非常短，所以這里考慮分別執(zhí)行 100000次，然后查看不同函數(shù)的效率。我們的性能分析輔助函數(shù)如下：

def _time_analyze_(func): 
 
from time import clock 
 
start = clock() 
 
for i in range(exec_times): 
 
func() 
 
finish = clock() 
 
print "{:<20}{:10.6} s".format(func.__name__ + ":", finish - start) 

這樣就可以了解上面程序的運(yùn)行時(shí)間情況：

***種方案耗時(shí)是第四種的 45 倍多，大跌眼鏡了吧!同樣是 python代碼，完成一樣的功能，耗時(shí)可以差這么多。

為了避免每次在程序開始、結(jié)束時(shí)插入時(shí)間斷點(diǎn)，然后計(jì)算耗時(shí)，可以考慮實(shí)現(xiàn)一個(gè)上下文管理器，具體代碼如下：

class Timer(object): 
 
def __init__(self, verbose=False): 
 
self.verbose = verbose 
 
def __enter__(self): 
 
self.start = clock() 
 
return self 
 
def __exit__(self, *args): 
 
self.end = clock() 
 
self.secs = self.end - self.start 
 
self.msecs = self.secs * 1000 # millisecs 
 
if self.verbose: 
 
print 'elapsed time: %f ms' % self.msecs 

使用時(shí)只需要將要測(cè)量時(shí)間的代碼段放進(jìn) with 語句即可，具體的使用例子放在 gist上。

timeit

上面手工插斷點(diǎn)的方法十分原始，用起來不是那么方便，即使用了上下文管理器實(shí)現(xiàn)起來還是略顯笨重。還好 Python 提供了timeit模塊，用來測(cè)試代碼塊的運(yùn)行時(shí)間。它既提供了命令行接口，又能用于代碼文件之中。

命令行接口

命令行接口可以像下面這樣使用：

$ python -m timeit -n 1000000 '"I like to reading.".replace(" ", "-")' 
 
1000000 loops, best of 3: 0.253 usec per loop 
 
$ python -m timeit -s 'orignal_str = "I like to reading."' '"-".join(orignal_str.split())' 
 
1000000 loops, best of 3: 0.53 usec per loop 

具體參數(shù)使用可以用命令 python -m timeit -h 查看幫助。使用較多的是下面的選項(xiàng)：

-s S, –setup=S: 用來初始化statement中的變量，只運(yùn)行一次;

-n N, –number=N: 執(zhí)行statement的次數(shù)，默認(rèn)會(huì)選擇一個(gè)合適的數(shù)字;

-r N, –repeat=N: 重復(fù)測(cè)試的次數(shù)，默認(rèn)為3;

Python 接口

可以用下面的程序測(cè)試四種 replace函數(shù)的運(yùn)行情況(完整的測(cè)試程序可以在 gist 上找到)：

def _timeit_analyze_(func): 
 
from timeit import Timer 
 
t1 = Timer("%s()" % func.__name__, "from __main__ import %s" % func.__name__) 
 
print "{:<20}{:10.6} s".format(func.__name__ + ":", t1.timeit(exec_times)) 

運(yùn)行結(jié)果如下：

Python的timeit提供了 timeit.Timer() 類，類構(gòu)造方法如下：

Timer(stmt='pass', setup='pass', timer=<timer function>) 

其中：

stmt: 要計(jì)時(shí)的語句或者函數(shù);

setup: 為stmt語句構(gòu)建環(huán)境的導(dǎo)入語句;

timer: 基于平臺(tái)的時(shí)間函數(shù)(timer function);

Timer()類有三個(gè)方法：

timeit(number=1000000): 返回stmt執(zhí)行number次的秒數(shù)(float);

repeat(repeat=3, number=1000000): repeat為重復(fù)整個(gè)測(cè)試的次數(shù)，number為執(zhí)行stmt的次數(shù)，返回以秒記錄的每個(gè)測(cè)試循環(huán)的耗時(shí)列表;

print_exc(file=None): 打印stmt的跟蹤信息。

此外，timeit 還提供了另外三個(gè)函數(shù)方便使用，參數(shù)和 Timer 差不多。

timeit.timeit(stmt='pass', setup='pass', timer=<default timer>, number=1000000) 
 
timeit.repeat(stmt='pass', setup='pass', timer=<default timer>, repeat=3, number=1000000) 
 
timeit.default_timer() 

profile

以上方法適用于比較簡單的場(chǎng)合，更復(fù)雜的情況下，可以用標(biāo)準(zhǔn)庫里面的profile或者cProfile，它可以統(tǒng)計(jì)程序里每一個(gè)函數(shù)的運(yùn)行時(shí)間，并且提供了可視化的報(bào)表。大多情況下，建議使用cProfile，它是profile的C實(shí)現(xiàn)，適用于運(yùn)行時(shí)間長的程序。不過有的系統(tǒng)可能不支持cProfile，此時(shí)只好用profile。

可以用下面程序測(cè)試 timeit_profile() 函數(shù)運(yùn)行時(shí)間分配情況。

import cProfile 
 
from time_profile import * 
 
cProfile.run("timeit_profile()") 

這樣的輸出可能會(huì)很長，很多時(shí)候我們感興趣的可能只有耗時(shí)最多的幾個(gè)函數(shù)，這個(gè)時(shí)候先將cProfile 的輸出保存到診斷文件中，然后用 pstats 定制更加有好的輸出(完整代碼在 gist 上)。

cProfile.run("timeit_profile()", "timeit") 
 
p = pstats.Stats('timeit') 
 
p.sort_stats('time') 
 
p.print_stats(6) 

輸出結(jié)果如下：

如果覺得 pstas 使用不方便，還可以使用一些圖形化工具，比如 gprof2dot 來可視化分析 cProfile 的診斷結(jié)果。

vprof

vprof 也是一個(gè)不錯(cuò)的可視化工具，可以用來分析 Python 程序運(yùn)行時(shí)間情況。如下圖：

line_profiler

上面的測(cè)試最多統(tǒng)計(jì)到函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，很多時(shí)候我們想知道函數(shù)里面每一行代碼的執(zhí)行效率，這時(shí)候就可以用到 line_profiler 了。

line_profiler 的使用特別簡單，在需要監(jiān)控的函數(shù)前面加上 @profile 裝飾器。然后用它提供的 kernprof -l -v [source_code.py] 行進(jìn)行診斷。下面是一個(gè)簡單的測(cè)試程序 line_profile.py：

from time_profile import slow_replace, slowest_replace 
 
for i in xrange(10000): 
 
slow_replace() 
 
slowest_replace() 

運(yùn)行后結(jié)果如下：

輸出每列的含義如下：

Line #: 行號(hào)

Hits: 當(dāng)前行執(zhí)行的次數(shù).

Time: 當(dāng)前行執(zhí)行耗費(fèi)的時(shí)間，單位為 “Timer unit:”

Per Hit: 平均執(zhí)行一次耗費(fèi)的時(shí)間.

% Time: 當(dāng)前行執(zhí)行時(shí)間占總時(shí)間的比例.

Line Contents: 當(dāng)前行的代碼

line_profiler 執(zhí)行時(shí)間的估計(jì)不是特別精確，不過可以用來分析當(dāng)前函數(shù)中哪些行是瓶頸。