前言

如果你50GB甚至500GB的數(shù)據(jù)集，打開(kāi)他們都很困難了，更別說(shuō)分析了。

在處理這樣的數(shù)據(jù)集時(shí)，我們通常采用3種方法。

第一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)抽樣：這里的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，樣本數(shù)據(jù)能否代表整個(gè)數(shù)據(jù)。

第二種使用分布式計(jì)算：雖然在某些情況下這是一種有效的方法，但是它帶來(lái)了管理和維護(hù)集群的巨大開(kāi)銷。想象一下，必須為一個(gè)剛好超出RAM范圍的數(shù)據(jù)集設(shè)置一個(gè)集群，比如在30-50GB范圍內(nèi)。這有點(diǎn)過(guò)分了。

第三種租用一個(gè)強(qiáng)大的云服務(wù)：例如，AWS提供了具有TB內(nèi)存的實(shí)例。在這種情況下，你仍然需要管理云數(shù)據(jù)，每次啟動(dòng)時(shí)都要等待一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)傳輸。處理將數(shù)據(jù)放到云上所帶來(lái)的遵從性問(wèn)題，以及處理在遠(yuǎn)程機(jī)器上工作所帶來(lái)的所有不便。更不用說(shuō)成本了，盡管開(kāi)始時(shí)成本很低，但隨著時(shí)間的推移，成本往往會(huì)越來(lái)越高。

在本文中，我們將向你展示一種新的方法：一種更快、更安全、總體上更方便的方法，可以使用幾乎任意大小的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)研究分析，只要它能夠適用于筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器的硬盤驅(qū)動(dòng)器。

Vaex

Vaex是一個(gè)開(kāi)源的DataFrame庫(kù)，它可以對(duì)表格數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化、探索、分析，甚至機(jī)器學(xué)習(xí)，這些數(shù)據(jù)集和你的硬盤驅(qū)動(dòng)器一樣大。它可以在一個(gè)n維網(wǎng)格上每秒計(jì)算超過(guò)10億（10^9）個(gè)對(duì)象的平均值、和、計(jì)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)信息?？梢暬褂弥狈綀D、使用直方圖、密度圖和3D立體渲染進(jìn)行可視化。為此，Vaex采用了內(nèi)存映射、高效的外核算法和延遲計(jì)算等概念來(lái)獲得最佳性能（不浪費(fèi)內(nèi)存）。所有這些都封裝在一個(gè)類似Pandas的API中。

GitHub：https://github.com/vaexio/vaex

為了說(shuō)明Vaex的性能，我們?yōu)榇蠹遗e個(gè)例子。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

我們使用紐約市出租車的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含了出租車在2009年至2015年間超過(guò)10億次出租車出行的信息。數(shù)據(jù)可從下面的網(wǎng)站下載，并以 CSV 格式提供：

https://www1.nyc.gov/site/tlc/about/tlc-trip-record-data.page

數(shù)據(jù)清洗

第一步將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)存映射文件格式，如Apache Arrow、Apache Parque 或HDF5。一旦數(shù)據(jù)成為內(nèi)存映射格式，使用Vaex打開(kāi)它是瞬間的（數(shù)據(jù)的磁盤大小超過(guò)100GB）。有多塊？

0.052秒！

將CSV數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為HDF5的代碼如下：

為什么這么快？

當(dāng)你使用Vaex打開(kāi)內(nèi)存映射文件時(shí)，實(shí)際上沒(méi)有數(shù)據(jù)讀取。Vaex只讀取文件元數(shù)據(jù)，比如磁盤上數(shù)據(jù)的位置、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（行數(shù)、列數(shù)、列名和類型）、文件描述等等。那么，如果我們想要檢查或與數(shù)據(jù)交互呢？打開(kāi)一個(gè)數(shù)據(jù)集會(huì)得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DataFrame：

再次注意，單元執(zhí)行時(shí)間非常短。這是因?yàn)轱@示Vaex DataFrame或列只需要從磁盤讀取前5行和后5行。這就引出了另一個(gè)重要的問(wèn)題：Vaex只會(huì)在必要時(shí)遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)集，而且它會(huì)盡可能少地遍歷數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在開(kāi)始清理數(shù)據(jù)集。一個(gè)好的開(kāi)始方法是使用describe方法獲得數(shù)據(jù)的概覽：

describe方法很好地說(shuō)明了Vaex的性能和效率：所有這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都是在MacBook Pro（15英寸，2018年，2.6GHz Intel Core i7，32GB RAM）上用不到3分鐘計(jì)算出來(lái)的。其他庫(kù)或方法需要分布式計(jì)算或超過(guò)100GB的云才能預(yù)先相同的計(jì)算。有了Vaex，你所需要的只是數(shù)據(jù)，以及只有幾GB內(nèi)存的筆記本電腦。

查看description的輸出，很容易注意到數(shù)據(jù)包含一些嚴(yán)重的異常值。由于我們使用的是如此龐大的數(shù)據(jù)集，直方圖是最有效的可視化方法。用Vaex創(chuàng)建和顯示柱狀圖和熱圖是如此的快，這樣的圖可又是交互式的！

df.plot_widget(df.pickup_longitude,
               df.pickup_latitude,
               shape=512,
               limits='minmax',
               f='log1p',
               colormap='plasma')

一旦我們決定了想要關(guān)注紐約的哪個(gè)區(qū)域，我們就可以簡(jiǎn)單地創(chuàng)建一個(gè)過(guò)濾后的 DataFrame：

上面的代碼塊的優(yōu)點(diǎn)在于：它所需要的內(nèi)存可以忽略不計(jì)！在過(guò)濾Vaex DataFrame時(shí)，不會(huì)生成數(shù)據(jù)副本。相反，只創(chuàng)建對(duì)原始對(duì)象的引用，并在其上應(yīng)用二進(jìn)制掩碼。掩碼選擇顯示哪些行并用于將來(lái)的計(jì)算。這為我們節(jié)省了100GB的RAM，如果要復(fù)制數(shù)據(jù)，就需要這樣做，就像現(xiàn)在許多標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析所做的那樣。

現(xiàn)在，讓我們檢查一下passenger_count列。單次乘坐出租車的最高記錄是255人，這似乎有點(diǎn)極端。讓我們數(shù)一數(shù)每一名乘客的出行次數(shù)。使用value_counts方法很容易做到這一點(diǎn)：

應(yīng)用10億行的“value_counts”方法只需要20秒！

從上圖中我們可以看出，乘客超過(guò)6人的出行很可能是罕見(jiàn)的異常值，或者是數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤。也有大量的出現(xiàn)，沒(méi)有（0名）乘客。既然現(xiàn)在我們還不知道這些旅行是否合法，那就讓我們把它們過(guò)濾掉吧。

讓我們做一個(gè)關(guān)于類似出行距離的操作。由于這是一個(gè)連續(xù)的變量，我們可以畫出出行距離的分布?？纯醋钚『妥畲蟮木嚯x，讓我們用一個(gè)更合理的范圍來(lái)繪制直方圖。

從上圖中我們可以看到，出行次數(shù)隨著距離的增加而減少。在大約100英里的距離上，分布有很大的下降。現(xiàn)在，我們用這個(gè)作為分界點(diǎn)，來(lái)消除基于行程距離的極端異常值：

出行距離列中存在的極端離群值是調(diào)查出租車出行時(shí)間和平均速度的原因。這些特征在數(shù)據(jù)集中是不容易獲得的，但是計(jì)算起來(lái)很簡(jiǎn)單：

上面的代碼塊需要零內(nèi)存，不需要執(zhí)行時(shí)間！這是因?yàn)榇a會(huì)創(chuàng)建虛擬列。這些列只包含數(shù)學(xué)表達(dá)式，僅在需要時(shí)才計(jì)算它們。否則，虛列的行為與任何其他常規(guī)列一樣。注意，其他標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)需要10s的GB內(nèi)存來(lái)完成相同的操作。

讓我們畫出行程時(shí)間的分布圖：

從上圖我們可以看到，95% 的出租車行程花費(fèi)不到30分鐘到達(dá)目的地，盡管有些行程花費(fèi)了4-5個(gè)小時(shí)。你能想象在紐約被困在出租車?yán)锍^(guò)3個(gè)小時(shí)的情景嗎？考慮所有總共不超過(guò)3小時(shí)的行程：

現(xiàn)在讓我們看一下出租車的平均速度，同時(shí)為數(shù)據(jù)限制選擇一個(gè)合理的范圍：

根據(jù)分布趨平的地方，我們可以推斷出合理的出租車平均速度在每小時(shí)1到60英里之間，因此我們可以更新過(guò)濾后的dataframe：

讓我們把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到出租車的費(fèi)用上。從describe方法的輸出中，我們可以看到在fare_amount、total_amount和tip_amount列中存在一些異常值。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，這些列中的任何值都不應(yīng)該是負(fù)值。讓我們看看這些數(shù)據(jù)的分布在一個(gè)相對(duì)合理的范圍內(nèi)：

我們看到上面的三個(gè)分布都有相當(dāng)長(zhǎng)的尾部。尾部的一些值可能是正確的，而其他值可能是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)輸入。無(wú)論如何，讓我們現(xiàn)在保守一點(diǎn)，只考慮票價(jià)為fare_amount、total_amount和tip_amount低于200美元的乘客。我們還要求fare_amount、total_amount的值大于0。

最后，在所有初始數(shù)據(jù)清理之后，讓我們看看還剩下多少出租車次數(shù)供我們分析：

超過(guò)11億次的出行！ 

具體分析

假設(shè)我們使用這個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)學(xué)習(xí)如何最大化利潤(rùn)，最小化成本。

讓我們從找出從平均值而言，能帶來(lái)較好收入的載客地點(diǎn)開(kāi)始。我們只需繪制一張熱點(diǎn)地區(qū)接送地點(diǎn)的熱圖，對(duì)平均票價(jià)進(jìn)行顏色編碼，然后查看熱點(diǎn)地區(qū)。然而，出租車司機(jī)也有自己的成本。例如，燃料費(fèi)用。因此，把乘客帶到很遠(yuǎn)的地方可能會(huì)導(dǎo)致更高的票價(jià)，但這也意味著更大的燃料消耗和時(shí)間損失。此外，從偏遠(yuǎn)的地方載一個(gè)乘客去市中心可能不那么容易，因此在沒(méi)有乘客的情況下開(kāi)車回去可能會(huì)很貴。一種解釋的方法是，用票價(jià)金額與出行距離之比的平均值來(lái)表示熱圖的顏色。讓我們考慮一下這兩種方法：

出租車司機(jī)是一份相當(dāng)靈活的工作。除了知道應(yīng)該去哪里，如果讓他們知道什么時(shí)候開(kāi)車最賺錢也是很有用的。為了回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們制作一個(gè)圖表，顯示每天和每小時(shí)的平均票價(jià)與行程的比率：

上面的數(shù)字是合理的，最好的收入發(fā)生在高峰時(shí)間，特別是中午，在工作日。作為一名出租車司機(jī)，我們收入的一部分給了出租車公司，所以我們可能會(huì)對(duì)哪一天、哪段時(shí)間顧客給的小費(fèi)最多感興趣。讓我們制作一個(gè)類似的圖，這次顯示的是平均小費(fèi)的比例：

上面的結(jié)論很有趣。它告訴我們，乘客在早上7點(diǎn)到10點(diǎn)之間給出租車司機(jī)的小費(fèi)最多，如果你在凌晨3點(diǎn)或4點(diǎn)接乘客，不要指望會(huì)有大額小費(fèi)。

更深入的分析

在本文的前一部分中，我們簡(jiǎn)要地集中討論了trip_distance列，在去除異常值時(shí)，我們保留了所有值小于100英里的行程。但這仍然是一個(gè)相當(dāng)大的臨界值，尤其是考慮到Y(jié)ellow Taxi公司主要在曼哈頓運(yùn)營(yíng)。trip_distance列描述出租車從上客點(diǎn)到下客點(diǎn)的距離。然而，人們經(jīng)常可以選擇不同的路線，在兩個(gè)確切的上落地點(diǎn)之間有不同的距離，例如為了避免交通堵塞或道路工程。因此，作為trip_distance列的一個(gè)對(duì)應(yīng)項(xiàng)，讓我們計(jì)算接送位置之間可能的最短距離，我們稱之為arc_distance：

對(duì)于用Numpy編寫的復(fù)雜表達(dá)式，vaex可以在Numba、Pythran甚至CUDA（如果你有NVIDIA GPU的話）的幫助下使用即時(shí)編譯來(lái)極大地提高你的計(jì)算速度。

arc_distance的計(jì)算公式非常復(fù)雜，它包含了大量的三角函數(shù)和算術(shù)知識(shí)，特別是在處理大數(shù)據(jù)集的情況下，計(jì)算量很大。如果表達(dá)式或函數(shù)僅使用來(lái)自Numpy包的Python操作和方法編寫，Vaex將使用計(jì)算機(jī)的所有核心并行地計(jì)算它。除此之外，Vaex通過(guò)Numba（使用LLVM）或Pythran（通過(guò)C++加速）支持即時(shí)編譯，從而提供更好的性能。如果你有NVIDIA顯卡，你可以通過(guò)jit_cuda方法使用CUDA來(lái)獲得更快的性能。

無(wú)論如何，我們來(lái)畫一下trip_distance和arc_distance的分布：

有趣的是，arc_distance從未超過(guò)21英里，但出租車實(shí)際行駛的距離可能是它的5倍。事實(shí)上，在數(shù)百萬(wàn)次的出租車行程中，落客點(diǎn)距離接客點(diǎn)只有100米（0.06英里）。

我們這次試用的數(shù)據(jù)集跨越了7年。我們可以看看在這段時(shí)間里，人們對(duì)某些東西的興趣是如何演變的，可能會(huì)很有趣。使用Vaex，我們可以進(jìn)行out-of-core group-by和aggregation操作。讓我們來(lái)看看這7年中票價(jià)和旅行距離的變化：

在擁有四核處理器的筆記本電腦上，對(duì)一個(gè)擁有超過(guò)10億個(gè)樣本的Vaex DataFrame進(jìn)行8個(gè)聚合的分組操作只需不到2分鐘。

在上面的單元格格中，我們執(zhí)行g(shù)roupby操作，然后執(zhí)行8個(gè)聚合，其中2個(gè)位于虛擬列上。上面的單元格在我們的筆記本電腦上執(zhí)行不到2分鐘。考慮到我們使用的數(shù)據(jù)包含超過(guò)10億個(gè)樣本，這是相當(dāng)令人印象深刻的。不管怎樣，讓我們看看結(jié)果。以下是多年來(lái)乘坐出租車的費(fèi)用是如何演變的：

我們看到，隨著時(shí)間的流逝，出租車費(fèi)和小費(fèi)都在上漲?，F(xiàn)在讓我們看看出租車的trip_distance 和arc_distance作為年的函數(shù)：

上圖顯示，trip_distance和arc_distance都有一個(gè)小的增長(zhǎng)，這意味著，平均而言，人們傾向于每年走得更遠(yuǎn)一點(diǎn)。

讓我們?cè)僬{(diào)查一下乘客是如何支付他們的車費(fèi)的：payment_type列，讓我們看看它包含的值：

從數(shù)據(jù)集中，我們可以看到只有6個(gè)有效的條目：

• 1=信用卡支付
• 2=現(xiàn)金支付
• 3=不收費(fèi)
• 4=糾紛
• 5=未知
• 6=無(wú)效行程

因此，我們可以簡(jiǎn)單地將payment_type列中的條目映射到整數(shù)：

現(xiàn)在我們可以根據(jù)每年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，看看紐約人在支付打車費(fèi)用方面的習(xí)慣是如何改變的：

我們發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，信用卡支付慢慢變得比現(xiàn)金支付更頻繁。在上面的代碼塊中，一旦我們聚合了數(shù)據(jù)，小型的Vaex dataframe就可以很容易地轉(zhuǎn)換為Pandas DataFrame，將其傳遞給Seaborn。

最后，讓我們通過(guò)繪制現(xiàn)金支付與信用卡支付之間的比率來(lái)查看付款方法是否取決于當(dāng)天的時(shí)間或星期幾。為此，我們將首先創(chuàng)建一個(gè)過(guò)濾器，它只選擇用現(xiàn)金或信用卡支付。下一步是具有Vaex特色功能的操作：帶有選擇的聚合。其他庫(kù)要求對(duì)每個(gè)支付方法進(jìn)行聚合，然后將這些支付方法后來(lái)合并為一個(gè)支付方法。 另一方面，我們可以通過(guò)在聚合函數(shù)中提供的參數(shù)，一步完成這個(gè)操作。 這非常方便，只需要傳遞一次數(shù)據(jù)，就可以獲得更好的性能。 然后，我們可以用標(biāo)準(zhǔn)的方式繪制出最終的DataFrame：

從上面的圖可以看出，顯示的小費(fèi)百分比可以作為一周的某天或一天的某時(shí)段的函數(shù)。從這兩個(gè)圖中表明，用信用卡支付的乘客比用現(xiàn)金支付的乘客更傾向于給小費(fèi)?？纯捶植迹?/p>

乘客多久付一次小費(fèi)？

但是讓我們看看_fareamount和_totalamount的分布，這取決于支付方式是刷卡還是現(xiàn)金。

結(jié)論

有了Vaex，你可以在短短幾秒鐘內(nèi)瀏覽超過(guò)10億行數(shù)據(jù)，計(jì)算各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、聚合信息，并生成信息圖表，而這一切都是在你自己的筆記本電腦上完成的。而且它是免費(fèi)和開(kāi)源的！

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