如何進行 Python 性能優化，是本文探討的主要問題。本文會涉及常見的代碼優化方法，性能優化工具的使用以及如何診斷代碼的性能瓶頸等內容，希望可以給 Python 開發人員一定的參考。
Python 代碼優化常見技巧
代碼優化能夠讓程序運行更快，它是在不改變程序運行結果的情況下使得程序的運行效率更高，根據 80/20 原則，實現程序的重構、優化、擴展以及文檔相關的事情通常需要消耗 80% 的工作量。優化通常包含兩方面的內容：減小代碼的體積，提高代碼的運行效率。
改進算法，選擇合適的數據結構
一個良好的算法能夠對性能起到關鍵作用，因此性能改進的首要點是對算法的改進。在算法的時間復雜度排序上依次是：
O(1) -> O(lg n) -> O(n lg n) -> O(n^2) -> O(n^3) -> O(n^k) -> O(k^n) -> O(n!)
因此如果能夠在時間復雜度上對算法進行一定的改進，對性能的提高不言而喻。但對具體算法的改進不屬于本文討論的范圍，讀者可以自行參考這方面資料。下面的內容將集中討論數據結構的選擇。
•字典 (dictionary) 與列表 (list)
Python 字典中使用了 hash table，因此查找操作的復雜度為 O(1)，而 list 實際是個數組，在 list 中，查找需要遍歷整個 list，其復雜度為 O(n)，因此對成員的查找訪問等操作字典要比 list 更快。
清單 1. 代碼 dict.py
from time import time
t = time()
list = ['a','b','is','python','jason','hello','hill','with','phone','test',
'dfdf','apple','pddf','ind','basic','none','baecr','var','bana','dd','wrd']
#list = dict.fromkeys(list,True)
print list
filter = []
for i in range (1000000):
for find in ['is','hat','new','list','old','.']:
if find not in list:
filter.append(find)
print "total run time:"
print time()-t
上述代碼運行大概需要 16.09seconds。如果去掉行 #list = dict.fromkeys(list,True) 的注釋，將 list 轉換為字典之后再運行，時間大約為 8.375 seconds，效率大概提高了一半。因此在需要多數據成員進行頻繁的查找或者訪問的時候，使用 dict 而不是 list 是一個較好的選擇。
•集合 (set) 與列表 (list)
set 的 union， intersection，difference 操作要比 list 的迭代要快。因此如果涉及到求 list 交集，并集或者差的問題可以轉換為 set 來操作。
清單 2. 求 list 的交集：
from time import time
t = time()
lista=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,13,34,53,42,44]
listb=[2,4,6,9,23]
intersection=[]
for i in range (1000000):
for a in lista:
for b in listb:
if a == b:
intersection.append(a)
print "total run time:"
print time()-t
上述程序的運行時間大概為：
total run time:
38.4070000648
清單 3. 使用 set 求交集
from time import time
t = time()
lista=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,13,34,53,42,44]
listb=[2,4,6,9,23]
intersection=[]
for i in range (1000000):
list(set(lista)&set(listb))
print "total run time:"
print time()-t
改為 set 后程序的運行時間縮減為 8.75，提高了 4 倍多，運行時間大大縮短。讀者可以自行使用表 1 其他的操作進行測試。
表 1. set 常見用法
語法 操作 說明
set(list1) | set(list2) union 包含 list1 和 list2 所有數據的新集合
set(list1) & set(list2) intersection 包含 list1 和 list2 中共同元素的新集合
set(list1) - set(list2) difference 在 list1 中出現但不在 list2 中出現的元素的集合
對循環的優化
對循環的優化所遵循的原則是盡量減少循環過程中的計算量，有多重循環的盡量將內層的計算提到上一層。 下面通過實例來對比循環優化后所帶來的性能的提高。程序清單 4 中，如果不進行循環優化，其大概的運行時間約為 132.375。
清單 4. 為進行循環優化前
from time import time
t = time()
lista = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
listb =[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.01]
for i in range (1000000):
for a in range(len(lista)):
for b in range(len(listb)):
x=lista[a]+listb[b]
print "total run time:"
print time()-t
現在進行如下優化，將長度計算提到循環外，range 用 xrange 代替，同時將第三層的計算 lista[a] 提到循環的第二層。
清單 5. 循環優化后
from time import time
t = time()
lista = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
listb =[0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.01]
len1=len(lista)
len2=len(listb)
for i in xrange (1000000):
for a in xrange(len1):
temp=lista[a]
for b in xrange(len2):
x=temp+listb[b]
print "total run time:"
print time()-t
上述優化后的程序其運行時間縮短為 102.171999931。在清單 4 中 lista[a] 被計算的次數為 1000000*10*10，而在優化后的代碼中被計算的次數為 1000000*10，計算次數大幅度縮短，因此性能有所提升。
充分利用 Lazy if-evaluation 的特性
python 中條件表達式是 lazy evaluation 的，也就是說如果存在條件表達式 if x and y，在 x 為 false 的情況下 y 表達式的值將不再計算。因此可以利用該特性在一定程度上提高程序效率。
清單 6. 利用 Lazy if-evaluation 的特性
from time import time
t = time()
abbreviations = ['cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'fig.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.']
for i in range (1000000):
for w in ('Mr.', 'Hat', 'is', 'chasing', 'the', 'black', 'cat', '.'):
if w in abbreviations:
#if w[-1] == '.' and w in abbreviations:
pass
print "total run time:"
print time()-t
在未進行優化之前程序的運行時間大概為 8.84，如果使用注釋行代替第一個 if，運行的時間大概為 6.17。
字符串的優化
python 中的字符串對象是不可改變的，因此對任何字符串的操作如拼接，修改等都將產生一個新的字符串對象，而不是基于原字符串，因此這種持續的 copy 會在一定程度上影響 python 的性能。對字符串的優化也是改善性能的一個重要的方面，特別是在處理文本較多的情況下。字符串的優化主要集中在以下幾個方面：
1.在字符串連接的使用盡量使用 join() 而不是 +：在代碼清單 7 中使用 + 進行字符串連接大概需要 0.125 s，而使用 join 縮短為 0.016s。因此在字符的操作上 join 比 + 要快，因此要盡量使用 join 而不是 +。
清單 7. 使用 join 而不是 + 連接字符串
from time import time
t = time()
s = ""
list = ['a','b','b','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n']
for i in range (10000):
for substr in list:
s+= substr
print "total run time:"
print time()-t
同時要避免：
s = ""
for x in list:
s += func(x)
而是要使用：
slist = [func(elt) for elt in somelist]
s = "".join(slist)
1.當對字符串可以使用正則表達式或者內置函數來處理的時候，選擇內置函數。如 str.isalpha()，str.isdigit()，str.startswith(('x', 'yz'))，str.endswith(('x', 'yz'))
2.對字符進行格式化比直接串聯讀取要快，因此要使用
out = "%s%s%s%s" % (head, prologue, query, tail)
而避免
out = "" + head + prologue + query + tail + ""
使用列表解析（list comprehension）和生成器表達式（generator expression）
列表解析要比在循環中重新構建一個新的 list 更為高效，因此我們可以利用這一特性來提高運行的效率。
from time import time
t = time()
list = ['a','b','is','python','jason','hello','hill','with','phone','test',
'dfdf','apple','pddf','ind','basic','none','baecr','var','bana','dd','wrd']
total=[]
for i in range (1000000):
for w in list:
total.append(w)
print "total run time:"
print time()-t
使用列表解析：
for i in range (1000000):
a = [w for w in list]
上述代碼直接運行大概需要 17s，而改為使用列表解析后 ，運行時間縮短為 9.29s。將近提高了一半。生成器表達式則是在 2.4 中引入的新內容，語法和列表解析類似，但是在大數據量處理時，生成器表達式的優勢較為明顯，它并不創建一個列表，只是返回一個生成器，因此效率較高。在上 述例子上中代碼 a = [w for w in list] 修改為 a = (w for w in list)，運行時間進一步減少，縮短約為 2.98s。
其他優化技巧
1.如果需要交換兩個變量的值使用 a,b=b,a 而不是借助中間變量 t=a;a=b;b=t；
>>> from timeit import Timer
>>> Timer("t=a;a=b;b=t","a=1;b=2").timeit()
0.25154118749729365
>>> Timer("a,b=b,a","a=1;b=2").timeit()
0.17156677734181258
>>>
1.在循環的時候使用 xrange 而不是 range；使用 xrange 可以節省大量的系統內存，因為 xrange() 在序列中每次調用只產生一個整數元素。而 range()
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