Python利用多進程將大量數(shù)據(jù)放入有限內存的教程
簡介
這是一篇有關如何將大量的數(shù)據(jù)放入有限的內存中的簡略教程。
與客戶工作時,有時會發(fā)現(xiàn)他們的數(shù)據(jù)庫實際上只是一個csv或Excel文件倉庫,你只能將就著用,經(jīng)常需要在不更新他們的數(shù)據(jù)倉庫的情況下完成工作。大部分情況下,如果將這些文件存儲在一個簡單的數(shù)據(jù)庫框架中或許更好,但時間可能不允許。這種方法對時間、機器硬件和所處環(huán)境都有要求。
下面介紹一個很好的例子:假設有一堆表格(沒有使用Neo4j、MongoDB或其他類型的數(shù)據(jù)庫,僅僅使用csvs、tsvs等格式存儲的表格),如果將所有表格組合在一起,得到的數(shù)據(jù)幀太大,無法放入內存。所以第一個想法是:將其拆分成不同的部分,逐個存儲。這個方案看起來不錯,但處理起來很慢。除非我們使用多核處理器。
目標
這里的目標是從所有職位中(大約1萬個),找出相關的的職位。將這些職位與政府給的職位代碼組合起來。接著將組合的結果與對應的州(行政單位)信息組合起來。然后用通過word2vec生成的屬性信息在我們的客戶的管道中增強已有的屬性。
這個任務要求在短時間內完成,誰也不愿意等待。想象一下,這就像在不使用標準的關系型數(shù)據(jù)庫的情況下進行多個表的連接。
數(shù)據(jù)

示例腳本
下面的是一個示例腳本,展示了如何使用multiprocessing來在有限的內存空間中加速操作過程。腳本的第一部分是和特定任務相關的,可以自由跳過。請著重關注第二部分,這里側重的是multiprocessing引擎。
#import the necessary packages
import pandas as pd
import us
import numpy as np
from multiprocessing import Pool,cpu_count,Queue,Manager
# the data in one particular column was number in the form that horrible excel version
# of a number where '12000' is '12,000' with that beautiful useless comma in there.
# did I mention I excel bothers me?
# instead of converting the number right away, we only convert them when we need to
def median_maker(column):
return np.median([int(x.replace(',','')) for x in column])
# dictionary_of_dataframes contains a dataframe with information for each title; e.g title is 'Data Scientist'
# related_title_score_df is the dataframe of information for the title; columns = ['title','score']
### where title is a similar_title and score is how closely the two are related, e.g. 'Data Analyst', 0.871
# code_title_df contains columns ['code','title']
# oes_data_df is a HUGE dataframe with all of the Bureau of Labor Statistics(BLS) data for a given time period (YAY FREE DATA, BOO BAD CENSUS DATA!)
def job_title_location_matcher(title,location):
try:
related_title_score_df = dictionary_of_dataframes[title]
# we limit dataframe1 to only those related_titles that are above
# a previously established threshold
related_title_score_df = related_title_score_df[title_score_df['score']>80]
#we merge the related titles with another table and its codes
codes_relTitles_scores = pd.merge(code_title_df,related_title_score_df)
codes_relTitles_scores = codes_relTitles_scores.drop_duplicates()
# merge the two dataframes by the codes
merged_df = pd.merge(codes_relTitles_scores, oes_data_df)
#limit the BLS data to the state we want
all_merged = merged_df[merged_df['area_title']==str(us.states.lookup(location).name)]
#calculate some summary statistics for the time we want
group_med_emp,group_mean,group_pct10,group_pct25,group_median,group_pct75,group_pct90 = all_merged[['tot_emp','a_mean','a_pct10','a_pct25','a_median','a_pct75','a_pct90']].apply(median_maker)
row = [title,location,group_med_emp,group_mean,group_pct10,group_pct25, group_median, group_pct75, group_pct90]
#convert it all to strings so we can combine them all when writing to file
row_string = [str(x) for x in row]
return row_string
except:
# if it doesnt work for a particular title/state just throw it out, there are enough to make this insignificant
'do nothing'
這里發(fā)生了神奇的事情:
#runs the function and puts the answers in the queue
def worker(row, q):
ans = job_title_location_matcher(row[0],row[1])
q.put(ans)
# this writes to the file while there are still things that could be in the queue
# this allows for multiple processes to write to the same file without blocking eachother
def listener(q):
f = open(filename,'wb')
while 1:
m = q.get()
if m =='kill':
break
f.write(','.join(m) + 'n')
f.flush()
f.close()
def main():
#load all your data, then throw out all unnecessary tables/columns
filename = 'skill_TEST_POOL.txt'
#sets up the necessary multiprocessing tasks
manager = Manager()
q = manager.Queue()
pool = Pool(cpu_count() + 2)
watcher = pool.map_async(listener,(q,))
jobs = []
#titles_states is a dataframe of millions of job titles and states they were found in
for i in titles_states.iloc:
job = pool.map_async(worker, (i, q))
jobs.append(job)
for job in jobs:
job.get()
q.put('kill')
pool.close()
pool.join()
if __name__ == "__main__":
main()
由于每個數(shù)據(jù)幀的大小都不同(總共約有100Gb),所以將所有數(shù)據(jù)都放入內存是不可能的。通過將最終的數(shù)據(jù)幀逐行寫入內存,但從來不在內存中存儲完整的數(shù)據(jù)幀。我們可以完成所有的計算和組合任務。這里的“標準方法”是,我們可以僅僅在“job_title_location_matcher”的末尾編寫一個“write_line”方法,但這樣每次只會處理一個實例。根據(jù)我們需要處理的職位/州的數(shù)量,這大概需要2天的時間。而通過multiprocessing,只需2個小時。
雖然讀者可能接觸不到本教程處理的任務環(huán)境,但通過multiprocessing,可以突破許多計算機硬件的限制。本例的工作環(huán)境是c3.8xl ubuntu ec2,硬件為32核60Gb內存(雖然這個內存很大,但還是無法一次性放入所有數(shù)據(jù))。這里的關鍵之處是我們在60Gb的內存的機器上有效的處理了約100Gb的數(shù)據(jù),同時速度提升了約25倍。通過multiprocessing在多核機器上自動處理大規(guī)模的進程,可以有效提高機器的利用率。也許有些讀者已經(jīng)知道了這個方法,但對于其他人,可以通過multiprocessing能帶來非常大的收益。順便說一句,這部分是skill assets in the job-market這篇博文的延續(xù)。
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