1.13。性能提示

原文： http://numba.pydata.org/numba-doc/latest/user/performance-tips.html

这是 Numba 中功能的简短指南，可以帮助您从代码中获得最佳性能。使用了两个例子，两者都完全是人为的，纯粹出于教学原因而存在，以激发讨论。第一个是三角恒等式cos(x)^2 + sin(x)^2的计算，第二个是矢量的简单元素方形平方根，它是求和的减少。所有性能数字仅供参考，除非另有说明，否则选自在np.arange(1.e7)输入的英特尔i7-4790 CPU（4 个硬件线程）上运行。

注意

实现高性能代码的一种合理有效的方法是使用实​​际数据分析运行的代码，并使用它来指导性能调优。这里提供的信息是为了展示功能，而不是作为规范指导！

1.13.1。没有 Python 模式与对象模式

一个常见的模式是用@jit来装饰函数，因为这是 Numba 提供的最灵活的装饰器。 @jit本质上包含两种编译模式，首先它将尝试在没有 Python 模式下编译装饰函数，如果失败，它将再次尝试使用对象模式编译函数。虽然在对象模式下使用循环可以提高性能，但是在无 python 模式下编译函数确实是获得良好性能的关键。为了使得只使用没有 python 模式，并且如果编译失败，则引发异常，可以使用装饰器@njit和@jit(nopython=True)（为方便起见，第一个是第二个的别名）。

1.13.2。循环

虽然 NumPy 在矢量运算的使用方面已经形成了一个强有力的习惯，但 Numba 对循环也非常满意。对于熟悉 C 或 Fortran 的用户，以这种方式编写 Python 在 Numba 中可以正常工作（毕竟，LLVM 在编译 C 谱系语言时有很多用处）。例如：

@njit
def ident_np(x):
    return np.cos(x) ** 2 + np.sin(x) ** 2
@njit
def ident_loops(x):
    r = np.empty_like(x)
    n = len(x)
    for i in range(n):
        r[i] = np.cos(x[i]) ** 2 + np.sin(x[i]) ** 2
    return r

当用@njit修饰时，上面以几乎相同的速度运行，没有装饰器，矢量化功能的速度提高了几个数量级。

1.13.3。 Fastmath

在某些类别的应用中，严格的 IEEE 754 合规性不那么重要。因此，可以放松一些数字严谨性，以获得额外的性能。在 Numba 中实现此行为的方法是使用fastmath关键字参数：

@njit(fastmath=False)
def do_sum(A):
    acc = 0.
    # without fastmath, this loop must accumulate in strict order
    for x in A:
        acc += np.sqrt(x)
    return acc
@njit(fastmath=True)
def do_sum_fast(A):
    acc = 0.
    # with fastmath, the reduction can be vectorized as floating point
    # reassociation is permitted.
    for x in A:
        acc += np.sqrt(x)
    return acc

1.13.4。并行=真

如果代码包含可并行的操作（和支持），Numba 可以编译一个版本，它将在多个本机线程上并行运行（没有 GIL！）。这种并行化是自动执行的，只需添加parallel关键字参数即可启用：

@njit(parallel=True)
def ident_parallel(A):
    return np.cos(x) ** 2 + np.sin(x) ** 2

执行时间如下：

存在parallel=True的此功能的执行速度约为 NumPy 等效值的 5 倍，是标准@njit的 6 倍。

Numba 并行执行也支持显式并行循环声明，类似于 OpenMP。为了表明应该并行执行循环，应该使用numba.prange函数，这个函数的行为类似于 Python range，如果没有设置parallel=True，它只是作为range的别名。用prange诱导的循环可用于令人尴尬的并行计算和减少。

重新考虑 reduce over sum 示例，假设无法按顺序累积总和是安全的，n中的循环可以通过使用prange来并行化。此外，在这种情况下可以毫无顾虑地添加fastmath=True关键字参数，因为已经通过使用parallel=True（因为每个线程计算部分和）已经进行了无序执行有效的假设。

@njit(parallel=True)
def do_sum_parallel(A):
    # each thread can accumulate its own partial sum, and then a cross
    # thread reduction is performed to obtain the result to return
    n = len(A)
    acc = 0.
    for i in prange(n):
        acc += np.sqrt(A[i])
    return acc
@njit(parallel=True, fastmath=True)
def do_sum_parallel_fast(A):
    n = len(A)
    acc = 0.
    for i in prange(n):
        acc += np.sqrt(A[i])
    return acc

执行时间如下，fastmath再次提高性能。

1.13.5。英特尔 SVML

英特尔提供了一个简短的矢量数学库（SVML），其中包含大量优化的超越函数，可用作编译器内在函数。如果环境中存在icc_rt包（或者 SVML 库只是可定位的！），那么 Numba 会自动配置 LLVM 后端以尽可能使用 SVML 内部函数。 SVML 提供每个内在函数的高精度和低精度版本，并且使用的版本通过使用fastmath关键字来确定。默认使用精度高于1 ULP的高精度，但如果fastmath设置为True，则使用内在函数的低精度版本（4 ULP内的答案）。

首先使用 conda 获取 SVML，例如：

conda install -c numba icc_rt

从上面重新运行身份函数示例ident_np，使用@njit和/或不使用 SVML 的各种选项组合，得到以下性能结果（输入大小np.arange(1.e8)）。作为参考，仅使用 NumPy 在5.84s中执行的功能：

很明显，SVML 显着提高了该功能的性能。在不存在 SVML 的情况下fastmath的影响是零，这是预期的，因为原始函数中没有任何东西可以从放宽数字严格性中受益。

1.13.6。线性代数

Numba 在没有 Python 模式的情况下支持大多数numpy.linalg。内部实现依赖于 LAPACK 和 BLAS 库来完成数值工作，并从 SciPy 获取必要函数的绑定。因此，要在 Numba 的numpy.linalg函数中实现良好的性能，必须使用针对优化良好的 LAPACK / BLAS 库构建的 SciPy。在 Anaconda 发行版的情况下，SciPy 是针对英特尔的 MKL 构建的，该版本经过高度优化，因此 Numba 利用了这一性能。