Python加速運行8個優(yōu)化技巧分享

更新時間：2025年06月20日 09:55:16 作者：程序員小麥

Python 是一種腳本語言,相比 C/C++ 這樣的編譯語言,在效率和性能方面存在一些不足,但是,有很多時候,Python 的效率并沒有想象中的那么夸張,本文對一些 Python 代碼加速運行的技巧進行整理,大家可以根據(jù)需求進行選擇

0. 代碼優(yōu)化原則

本文會介紹不少的 Python 代碼加速運行的技巧。在深入代碼優(yōu)化細節(jié)之前，需要了解一些代碼優(yōu)化基本原則。

第一個基本原則是不要過早優(yōu)化。很多人一開始寫代碼就奔著性能優(yōu)化的目標，“讓正確的程序更快要比讓快速的程序正確容易得多”。因此，優(yōu)化的前提是代碼能正常工作。過早地進行優(yōu)化可能會忽視對總體性能指標的把握，在得到全局結(jié)果前不要主次顛倒。

第二個基本原則是權(quán)衡優(yōu)化的代價。優(yōu)化是有代價的，想解決所有性能的問題是幾乎不可能的。通常面臨的選擇是時間換空間或空間換時間。另外，開發(fā)代價也需要考慮。

第三個原則是不要優(yōu)化那些無關(guān)緊要的部分。如果對代碼的每一部分都去優(yōu)化，這些修改會使代碼難以閱讀和理解。如果你的代碼運行速度很慢，首先要找到代碼運行慢的位置，通常是內(nèi)部循環(huán)，專注于運行慢的地方進行優(yōu)化。在其他地方，一點時間上的損失沒有什么影響。

1. 避免全局變量

# 不推薦寫法。代碼耗時：26.8秒
import math
 
size = 10000
for x in range(size):
    for y in range(size):
        z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)

許多程序員剛開始會用 Python 語言寫一些簡單的腳本，當編寫腳本時，通常習慣了直接將其寫為全局變量，例如上面的代碼。但是，由于全局變量和局部變量實現(xiàn)方式不同，定義在全局范圍內(nèi)的代碼運行速度會比定義在函數(shù)中的慢不少。通過將腳本語句放入到函數(shù)中，通常可帶來 15% - 30% 的速度提升。

# 推薦寫法。代碼耗時：20.6秒
import math
def main():  # 定義到函數(shù)中，以減少全部變量使用
    size = 10000
    for x in range(size):
        for y in range(size):
            z = math.sqrt(x) + math.sqrt(y)
 
main()

2. 避免.

2.1 避免模塊和函數(shù)屬性訪問

# 不推薦寫法。代碼耗時：14.5秒
import math
 
def computeSqrt(size: int):
    result = []
    for i in range(size):
        result.append(math.sqrt(i))
    return result
 
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        result = computeSqrt(size)
 
main()

每次使用 . （屬性訪問操作符時）會觸發(fā)特定的方法，如 getattribute() 和 getattr() ，這些方法會進行字典操作，因此會帶來額外的時間開銷。通過 from import 語句，可以消除屬性訪問。

# 第一次優(yōu)化寫法。代碼耗時：10.9秒
from math import sqrt
 
def computeSqrt(size: int):
    result = []
    for i in range(size):
        result.append(sqrt(i))  # 避免math.sqrt的使用
    return result
 
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        result = computeSqrt(size)
 
main()

局部變量的查找會比全局變量更快，因此對于頻繁訪問的變量 sqrt ，通過將其改為局部變量可以加速運行。

# 第二次優(yōu)化寫法。代碼耗時：9.9秒
import math
 
def computeSqrt(size: int):
    result = []
    sqrt = math.sqrt  # 賦值給局部變量
    for i in range(size):
        result.append(sqrt(i))  # 避免math.sqrt的使用
    return result
 
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        result = computeSqrt(size)
 
main()

除了 math.sqrt 外， computeSqrt 函數(shù)中還有 . 的存在，那就是調(diào)用 list 的 append 方法。通過將該方法賦值給一個局部變量，可以徹底消除 computeSqrt 函數(shù)中 for 循環(huán)內(nèi)部的.使用。

# 推薦寫法。代碼耗時：7.9秒
import math
 
def computeSqrt(size: int):
    result = []
    append = result.append
    sqrt = math.sqrt    # 賦值給局部變量
    for i in range(size):
        append(sqrt(i))  # 避免 result.append 和 math.sqrt 的使用
    return result
 
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        result = computeSqrt(size)
 
main()

2.2 避免類內(nèi)屬性訪問

# 不推薦寫法。代碼耗時：10.4秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
    def __init__(self, value: int):
        self._value = value
    
    def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
        result = []
        append = result.append
        sqrt = math.sqrt
        for _ in range(size):
            append(sqrt(self._value))
        return result
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        demo_instance = DemoClass(size)
        result = demo_instance.computeSqrt(size)
main()

避免 . 的原則也適用于類內(nèi)屬性，訪問 self._value 的速度會比訪問一個局部變量更慢一些。通過將需要頻繁訪問的類內(nèi)屬性賦值給一個局部變量，可以提升代碼運行速度。

# 推薦寫法。代碼耗時：8.0秒
import math
from typing import List
class DemoClass:
    def __init__(self, value: int):
        self._value = value
    
    def computeSqrt(self, size: int) -> List[float]:
        result = []
        append = result.append
        sqrt = math.sqrt
        value = self._value
        for _ in range(size):
            append(sqrt(value))  # 避免 self._value 的使用
        return result
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        demo_instance = DemoClass(size)
        demo_instance.computeSqrt(size)
main()

3. 避免不必要的抽象

# 不推薦寫法，代碼耗時：0.55秒
class DemoClass:
    def __init__(self, value: int):
        self.value = value
 
    @property
    def value(self) -> int:
        return self._value
 
    @value.setter
    def value(self, x: int):
        self._value = x
 
def main():
    size = 1000000
    for i in range(size):
        demo_instance = DemoClass(size)
        value = demo_instance.value
        demo_instance.value = i
 
main()

任何時候當你使用額外的處理層（比如裝飾器、屬性訪問、描述器）去包裝代碼時，都會讓代碼變慢。大部分情況下，需要重新進行審視使用屬性訪問器的定義是否有必要，使用 getter/setter 函數(shù)對屬性進行訪問通常是 C/C++ 程序員遺留下來的代碼風格。如果真的沒有必要，就使用簡單屬性。

# 推薦寫法，代碼耗時：0.33秒
class DemoClass:
    def __init__(self, value: int):
        self.value = value  # 避免不必要的屬性訪問器
 
def main():
    size = 1000000
    for i in range(size):
        demo_instance = DemoClass(size)
        value = demo_instance.value
        demo_instance.value = i
 
main()

4. 避免數(shù)據(jù)復制

4.1 避免無意義的數(shù)據(jù)復制

# 不推薦寫法，代碼耗時：6.5秒
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        value = range(size)
        value_list = [x for x in value]
        square_list = [x * x for x in value_list]
 
main()

上面的代碼中 value_list 完全沒有必要，這會創(chuàng)建不必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或復制。

# 推薦寫法，代碼耗時：4.8秒
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        value = range(size)
        square_list = [x * x for x in value]  # 避免無意義的復制
 
main()

另外一種情況是對 Python 的數(shù)據(jù)共享機制過于偏執(zhí)，并沒有很好地理解或信任 Python 的內(nèi)存模型，濫用 copy.deepcopy() 之類的函數(shù)。通常在這些代碼中是可以去掉復制操作的。

4.2 交換值時不使用中間變量

不推薦寫法，代碼耗時：0.07秒

# 不推薦寫法，代碼耗時：0.07秒
def main():
    size = 1000000
    for _ in range(size):
        a = 3
        b = 5
        temp = a
        a = b
        b = temp
 
main()

上面的代碼在交換值時創(chuàng)建了一個臨時變量 temp ，如果不借助中間變量，代碼更為簡潔、且運行速度更快。

# 推薦寫法，代碼耗時：0.06秒
def main():
    size = 1000000
    for _ in range(size):
        a = 3
        b = 5
        a, b = b, a  # 不借助中間變量
 
main()

4.3 字符串拼接用 join 而不是 +

# 不推薦寫法，代碼耗時：2.6秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
    result = ''
    for str_i in string_list:
        result += str_i
    return result
def main():
    string_list = list(string.ascii_letters * 100)
    for _ in range(10000):
        result = concatString(string_list)
 
main()

當使用 a + b 拼接字符串時，由于 Python 中字符串是不可變對象，其會申請一塊內(nèi)存空間，將 a 和 b 分別復制到該新申請的內(nèi)存空間中。因此，如果要拼接 n 個字符串，會產(chǎn)生 n-1 個中間結(jié)果，每產(chǎn)生一個中間結(jié)果都需要申請和復制一次內(nèi)存，嚴重影響運行效率。而使用 join() 拼接字符串時，會首先計算出需要申請的總的內(nèi)存空間，然后一次性地申請所需內(nèi)存，并將每個字符串元素復制到該內(nèi)存中去。

# 推薦寫法，代碼耗時：0.3秒
import string
from typing import List
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
    return ''.join(string_list)  # 使用 join 而不是 +
def main():
    string_list = list(string.ascii_letters * 100)
    for _ in range(10000):
        result = concatString(string_list)
 
main()

5. 利用 if 條件的短路特性

# 不推薦寫法，代碼耗時：0.05秒
from typing import List
 
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
    abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
    abbr_count = 0
    result = ''
    for str_i in string_list:
        if str_i in abbreviations:
            result += str_i
    return result
 
def main():
    for _ in range(10000):
        string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
        result = concatString(string_list)
 
main()

if 條件的短路特性是指對 if a and b 這樣的語句，當 a 為 False 時將直接返回，不再計算 b ；對于 if a or b 這樣的語句，當 a 為 True 時將直接返回，不再計算 b 。因此，為了節(jié)約運行時間，對于 or 語句，應該將值為 True 可能性比較高的變量寫在 or 前，而 and 應該推后。

# 推薦寫法，代碼耗時：0.03秒
from typing import List
 
def concatString(string_list: List[str]) -> str:
    abbreviations = {'cf.', 'e.g.', 'ex.', 'etc.', 'flg.', 'i.e.', 'Mr.', 'vs.'}
    abbr_count = 0
    result = ''
    for str_i in string_list:
        if str_i[-1] == '.' and str_i in abbreviations:  # 利用 if 條件的短路特性
            result += str_i
    return result
 
def main():
    for _ in range(10000):
        string_list = ['Mr.', 'Hat', 'is', 'Chasing', 'the', 'black', 'cat', '.']
        result = concatString(string_list)
 
main()

6. 循環(huán)優(yōu)化

6.1 用 for 循環(huán)代替 while 循環(huán)

# 不推薦寫法。代碼耗時：6.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
    sum_ = 0
    i = 0
    while i < size:
        sum_ += i
        i += 1
    return sum_
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        sum_ = computeSum(size)
 
main()

Python 的 for 循環(huán)比 while 循環(huán)快不少。

# 推薦寫法。代碼耗時：4.3秒
def computeSum(size: int) -> int:
    sum_ = 0
    for i in range(size):  # for 循環(huán)代替 while 循環(huán)
        sum_ += i
    return sum_
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        sum_ = computeSum(size)
 
main()

6.2 使用隱式 for 循環(huán)代替顯式 for 循環(huán)

針對上面的例子，更進一步可以用隱式 for 循環(huán)來替代顯式 for 循環(huán)

# 推薦寫法。代碼耗時：1.7秒
def computeSum(size: int) -> int:
    return sum(range(size))  # 隱式 for 循環(huán)代替顯式 for 循環(huán)
 
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        sum = computeSum(size)
 
main()

6.3 減少內(nèi)層 for 循環(huán)的計算

# 不推薦寫法。代碼耗時：12.8秒
import math
 
def main():
    size = 10000
    sqrt = math.sqrt
    for x in range(size):
        for y in range(size):
            z = sqrt(x) + sqrt(y)
 
main()

上面的代碼中 sqrt(x) 位于內(nèi)側(cè) for 循環(huán)，每次訓練過程中都會重新計算一次，增加了時間開銷。

# 推薦寫法。代碼耗時：7.0秒
import math
 
def main():
    size = 10000
    sqrt = math.sqrt
    for x in range(size):
        sqrt_x = sqrt(x)  # 減少內(nèi)層 for 循環(huán)的計算
        for y in range(size):
            z = sqrt_x + sqrt(y)
 
main()

7. 使用 numba.jit

我們沿用上面介紹過的例子，在此基礎上使用 numba.jit 。numba 可以將 Python 函數(shù) JIT 編譯為機器碼執(zhí)行，大大提高代碼運行速度。

# 推薦寫法。代碼耗時：0.62秒
import numba
 
@numba.jit
def computeSum(size: float) -> int:
    sum = 0
    for i in range(size):
        sum += i
    return sum
def main():
    size = 10000
    for _ in range(size):
        sum = computeSum(size)
 
main()

8. 選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Python 內(nèi)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如 str , tuple , list , set , dict 底層都是 C 實現(xiàn)的，速度非?？欤约簩崿F(xiàn)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)想在性能上達到內(nèi)置的速度幾乎是不可能的。

list 類似于 C++ 中的 std::vector ，是一種動態(tài)數(shù)組。其會預分配一定內(nèi)存空間，當預分配的內(nèi)存空間用完，又繼續(xù)向其中添加元素時，會申請一塊更大的內(nèi)存空間，然后將原有的所有元素都復制過去，之后銷毀之前的內(nèi)存空間，再插入新元素。刪除元素時操作類似，當已使用內(nèi)存空間比預分配內(nèi)存空間的一半還少時，會另外申請一塊小內(nèi)存，做一次元素復制，之后銷毀原有大內(nèi)存空間。因此，如果有頻繁的新增、刪除操作，新增、刪除的元素數(shù)量又很多時，list的效率不高。此時，應該考慮使用 collections.deque 。collections.deque 是雙端隊列，同時具備棧和隊列的特性，能夠在兩端進行 O(1) 復雜度的插入和刪除操作。

list 的查找操作也非常耗時。當需要在 list 頻繁查找某些元素，或頻繁有序訪問這些元素時，可以使用 bisect 維護 list 對象有序并在其中進行二分查找，提升查找的效率。

另外一個常見需求是查找極小值或極大值，此時可以使用 heapq 模塊將 list 轉(zhuǎn)化為一個堆，使得獲取最小值的時間復雜度是 O(1) 。

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