For循环与向量化（Vectorization）

用户7652506

发布于 2022-04-14 12:02:17

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发布于 2022-04-14 12:02:17

文章被收录于专栏：大猫的R语言课堂

For循环与向量化（Vectorization）

写在前面

感谢水友们积极的提问，大猫和村长在此再次表示衷心的感谢。通过对水友们问题的汇总，我们发现大多数水友存在一些R语言的应用误区，在此出一期关于该问题的解读。

问题提出

首先思考一个典型的增长率的计算的例子。假设我们有一列时间序列，每个都记录着时刻的值。现在我们希望针对每个计算当期的增长率，其公式如下：

大家可能首先想到的是利用For循环来做。假如一个向量长度为，那么我们就把上面的增长率公式应用遍。这种思路以标量（scalar）的角度考虑问题。这样是否真的有效率？除此之外，能否有其他的思路？ ”

解决方法

For循环

首先我们用R语言最底层的For循环进行函数的编写。我们定义向量长度为10000，重复运行1000次，测定计算其运行的中位数时长（为了防止极值对结果的影响）。在计算时间方面，运用microbenchmark包，生成每次运行的时间，最后计算中位数，代码与结果如下：

library(microbenchmark)
growthRBL <- function(x) {
    growth <- vector(mode = "numeric")
    for (i in seq_along(x)) {
        growth[i] <- x[i]/x[i-1] - 1
    }
    growth
}
time1 <- microbenchmark(growthRBL(1:10000), times = 1000) %>% as.data.table()
time1[, median(time)/1e6]

3.3792015

通过结果可以发现，平均每次运行所需要耗费的时长为3.3秒左右。有没有更快的方法呢？我们来看下面的思路。

Vectorized（向量化）

根据Hadley Wickham在其著作Advanced R中第一章所涉及到的内容，R最底层的数据结构只有两种：向量（vector）和列表（list），其他所有的数据格式都是通过这两种最基本的数据结构衍化而来。向量作为最基本的数据结构，其在进行底层编写的时候，进行了很大程度的优化设计。向量有时候作为一种基本的编写思路，是具有很高效率的。有鉴于此，我们通过R语言最底层的向量思维进行函数编写。

library(microbenchmark)
growthRBV <- function(x) {
    shift <- function(y) {
        c(NA, y[1:(length(y)-1)])
    }
    x/shift(x) - 1
}
time2 <- microbenchmark(growthRBV(1:10000), times = 1000) %>% as.data.table()
time2[, median(time)/1e6]

0.084901

我们在函数中编写了另一个函数，名曰shift。由于我们需要做的是向量中某一个元素与前一个元素的处理结果，那么只需要将元素往后进行移位，与原来的向量进行一一对应的处理即可，这样便达到了以向量进行处理的模式。也可称之为向量化（vectorization）。

上述的运行结果更能反映这种编写的效率，可以看到运行速度提升了将近40倍，运行时间变成了0.08s左右。

关于For循环和Vectorization的深入思考

Vectorization在更多包的拓展

现在有很多的R包会对底层的一些函数进行优化，也即是对向量化的进一步优化，我们选择效率较为强大的data.table，看看其对shift函数的优化情况。

library(microbenchmark)
growthRDV <- function(x) {
    x/data.table::shift(x) - 1
}
time3 <- microbenchmark(growthRDV(1:10000), times = 1000) %>% as.data.table()
time3[, median(time)/1e6]

0.0406515

通过结果可以发现，data.table对于shift函数的优化又使其效率翻倍！！运行时间继续降低至0.04s！！

更底层的For循环

R语言本身的For循环效率相对低下，究其原因在于R作为高级语言，循环本身需要先进行编译，再放入底层进行处理。更为直接的做法，如果想提升效率，则可以直接将循环放入底层进行运行。有鉴于此，C++可作为一种比较好的替代手段。R语言提供了一个很好的C++语言的接口，Rcpp包能够比较方便调用C++的语句进行操作。（若有对Rcpp感兴趣的同学可以戳这里进行了解）

library(microbenchmark)
Rcpp::cppFunction('NumericVector growthRCL(NumericVector x){
    int n = x.size();
    NumericVector y(n);
    y[0] = NA_REAL;
    for(int i = 1; i < n; i++) {
        y[i] = x[i]/x[i-1]-1;
    }
    return y;
}')
time4 <- microbenchmark(growthRCL(1:10000), times = 1000) %>% as.data.table()
time4[, median(time)/1e6]

0.029601

如上所示，使用Rcpp包中的cppFunction进行C++语句的调用。在这里会自动调用已经配置好的C++头文件，并自动编译而后运行。调用的C++语句,在R语言中皆有相对应的数据格式。通过运行结果可以发现，Rcpp调用的底层循环略优于data.table的向量化，运行时间在0.03s左右。