媲美Pandas的数据分析工具包Datatable

前言

Data.table 是 R 中一个非常通用和高性能的包,使用简单、方便而且速度快,在 R 语言社区非常受欢迎,每个月的下载量超过 40 万,有近 650 个 CRAN 和 Bioconductor 软件包使用它。如果你是 R 的使用者,可能已经使用过 data.table 包。

而对于 Python 用户,同样存在一个名为 datatable 包,专注于大数据支持、高性能内存/内存不足的数据集以及多线程算法等问题。在某种程度上,datatable 可以被称为是 Python 中的 data.table。

Datatable简介

为了能够更准确地构建模型,现在机器学习应用通常要处理大量的数据并生成多种特征,这已成为必要的。而 Python 的 datatable 模块为解决这个问题提供了良好的支持,以可能的最大速度在单节点机器上进行大数据操作 (最多100GB)。datatable 包的开发由 H2O.ai 赞助,它的第一个用户是 Driverless.ai。

2.1 安装

  • Mac OS系统
  • Linux系统

安装过程需要通过二进制分布来实现

很遗憾的是,目前 datatable 包还不能在 Windows 系统上工作,但 Python 官方也在努力地增加其对 Windows 的支持。更多的信息可以查看 Build instructions 的说明。

https://datatable.readthedocs.io/en/latest/install.html

2.2 数据读取

这里使用的数据集是来自 Kaggle 竞赛中的 Lending Club Loan Data 数据集, 该数据集包含2007-2015期间所有贷款人完整的贷款数据,即当前贷款状态 (当前,延迟,全额支付等) 和最新支付信息等。整个文件共包含226万行和145列数据,数据量规模非常适合演示 datatable 包的功能。

数据集:

  • 首先将数据加载到 Frame 对象中,datatable 的基本分析单位是 Frame,这与Pandas DataFrame 或 SQL table 的概念是相同的:即数据以行和列的二维数组排列展示。

使用datatable读取数据

这个数据集一共226万行,145列,将近1.2G的数据,通过datatable读取只用了2.54s

如上所示,fread() 是一个强大又快速的函数,能够自动检测并解析文本文件中大多数的参数,所支持的文件格式包括 .zip 文件、URL 数据,Excel 文件等等。此外,datatable 解析器具有如下几大功能:

  • 能够自动检测分隔符,标题,列类型,引用规则等。
  • 能够读取多种文件的数据,包括文件,URL,shell,原始文本,档案和 glob 等。
  • 提供多线程文件读取功能,以获得最大的速度。
  • 在读取大文件时包含进度指示器。
  • 可以读取 RFC4180 兼容和不兼容的文件。
  • 使用pandas读取数据

!!!注意:由于数据量过大,使用pandas读取数据会经常使服务挂机,所以可以使用数据量稍小的数据集来测试

由此可以看出,结果表明在读取大型数据时 datatable 包的性能明显优于 Pandas,Pandas 需要接近30秒的时间来读取这些数据,而 datatable 只需要2秒多。

2.3 帧转换 (Frame Conversion)

对于当前存在的帧,可以将其转换为一个 Numpy 或 Pandas dataframe 的形式,如下所示:

下面,将 datatable 读取的数据帧转换为 Pandas dataframe 形式,并比较所需的时间,如下所示:

由于 Lending Club Loan Data 数据集的数据量过大,使用to_padnas操作,jupyte服务容易挂机,所以使用一个数据集较小的进行测试。

通过datatable读取数据加上将其转换为DataFrame数组,一共是2.62ms.

单通过pandas读取数据,总共需要14.4ms。

看起来将文件作为一个 datatable frame 读取,然后将其转换为 Pandas dataframe比直接读取 Pandas dataframe 的方式所花费的时间更少。因此,通过 datatable 包导入大型的数据文件再将其转换为 Pandas dataframe 的做法是个不错的主意。

2.4 帧的基础属性

下面来介绍 datatable 中 frame 的一些基础属性,这与 Pandas 中 dataframe 的一些功能类似。

也可以通过使用 head 命令来打印出输出的前 n 行数据,如下所示:

注意:这里用颜色来指代数据的类型,其中红色表示字符串,绿色表示整型,而蓝色代表浮点型。

2.5 统计总结

在 Pandas 中,总结并计算数据的统计信息是一个非常消耗内存的过程,但这个过程在 datatable 包中是很方便的。如下所示,使用 datatable 包计算以下每列的统计信息:

下面分别使用 datatable 和Pandas 来计算每列数据的均值,并比较二者运行时间的差异。

  • Datatable读取
  • Pandas读取

使用 Pandas 计算时抛出内存错误的异常。

数据操作

和 dataframe 一样,datatable 也是柱状数据结构。在 datatable 中,所有这些操作的主要工具是方括号,其灵感来自传统的矩阵索引,但它包含更多的功能。诸如矩阵索引,C/C++,R,Pandas,Numpy 中都使用相同的 DT[i,j] 的数学表示法。下面来看看如何使用 datatable 来进行一些常见的数据处理工作。

选择行/列的子集

下面的代码能够从整个数据集中筛选出所有行及 funded_amnt 列:

展示如何选择数据集中前5行3列的数据,如下所示:

帧排序

  • datatable 排序

在 datatable 中通过特定的列来对帧进行排序操作,如下所示:

  • Pandas 排序

可以看到两种包在排序时间方面存在明显的差异。

  • 删除行/列

下面展示如何删除 member_id 这一列的数据:

  • 分组 (GroupBy)

与 Pandas 类似,datatable 同样具有分组 (GroupBy) 操作。下面来看看如何在 datatable 和 Pandas 中,通过对 grade 分组来得到 funded_amout 列的均值:

  • datatable 分组
  • pandas 分组

.f 代表什么

在 datatable 中,f 代表 frame_proxy,它提供一种简单的方式来引用当前正在操作的帧。在上面的例子中,dt.f 只代表 dt_df。

过滤行

在 datatable 中,过滤行的语法与GroupBy的语法非常相似。下面就来展示如何过滤掉 loan_amnt 中大于 funding_amnt 的值,如下所示。

保存帧

在 datatable 中,同样可以通过将帧的内容写入一个 csv 文件来保存,以便日后使用。如下所示:

有关数据操作的更多功能,可查看 datatable 包的说明文档

地址:https://datatable.readthedocs.io/en/latest/using-datatable.html

总结

在数据科学领域,与默认的 Pandas 包相比,datatable 模块具有更快的执行速度,这是其在处理大型数据集时的一大优势所在。然而,就功能而言,目前 datatable 包所包含的功能还不如 pandas 完善。相信在不久的将来,不断完善的 datatable 能够更加强大。

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