Lliçons Python

Commuta mode fosc o clar

Bones pràctiques i optimització ​

Tot i la seva facilitat d'ús de NumPy, és important conèixer certes bones pràctiques per aprofitar al màxim el seu rendiment i escriure codi eficient i llegible.

Vectorització: la clau del rendiment ​

La vectorització consisteix a aplicar operacions sobre arrays sencers en lloc d'utilitzar bucles explícits. Aquesta és la diferència principal entre codi ràpid i codi lent amb NumPy.

python
import numpy as np

# Malament: ús de bucles
a = np.arange(1000000)
result = np.zeros(1000000)
for i in range(len(a)):
    result[i] = a[i] ** 2

# Bé: vectorització
result = a ** 2

La versió vectoritzada és desenes de vegades més ràpida perquè les operacions s'executen en codi C optimitzat en lloc d'interpretar Python per a cada iteració.

Evitar còpies innecessàries ​

NumPy permet treballar amb vistes dels arrays originals, cosa que estalvia memòria i temps de còpia.

python
# Creació d'una vista (no còpia)
a = np.arange(10)
b = a[2:7]  # b és una vista de a
b[0] = 999  # modifica també a

# Còpia explícita quan cal
c = a[2:7].copy()
c[0] = 111  # no modifica a

És important saber quan s'està treballant amb vistes per evitar modificacions no desitjades de l'array original.

Ús correcte de broadcasting ​

El broadcasting permet operar amb arrays de diferents dimensions sense necessitat de replicar dades explícitament.

python
# Broadcasting automàtic
matrix = np.array([[1, 2, 3],
                   [4, 5, 6],
                   [7, 8, 9]])
vector = np.array([10, 20, 30])

# Suma per columnes sense bucles
result = matrix + vector  # vector s'aplica a cada fila

El broadcasting estalvia memòria i millora el rendiment perquè no cal crear còpies temporals de les dades.

Selecció del tipus de dades adequat ​

Utilitzar el tipus de dades mínim necessari redueix l'ús de memòria i pot accelerar les operacions.

python
# Per defecte: float64 i int64 (8 bytes)
a = np.array([1, 2, 3])  # int64

# Optimització: utilitzar tipus més petits quan sigui possible
b = np.array([1, 2, 3], dtype=np.int8)  # 1 byte
c = np.linspace(0, 1, 100, dtype=np.float32)  # 4 bytes

Això és especialment rellevant quan es treballa amb grans volums de dades.

Preal·locació d'arrays ​

Quan es coneix la mida final d'un array, és millor preal·locar-lo que anar afegint elements.

python
# Malament: anar afegint elements
result = np.array([])
for i in range(1000):
    result = np.append(result, i ** 2)  # molt ineficient

# Bé: preal·locació
result = np.empty(1000)
for i in range(1000):
    result[i] = i ** 2

# Millor: vectorització completa
result = np.arange(1000) ** 2

Cada crida a np.append crea una nova còpia de l'array, cosa que resulta en un rendiment quadràtic.

Funcions universals (ufuncs) ​

Les funcions universals de NumPy estan optimitzades i són preferibles a les funcions equivalents de Python.

python
import math

a = np.random.rand(1000000)

# Lent: funció de Python
result = np.array([math.sqrt(x) for x in a])

# Ràpid: ufunc de NumPy
result = np.sqrt(a)

Les ufuncs també suporten operacions element a element de manera transparent.

Operacions in-situ ​

Quan no cal preservar l'array original, les operacions in-situ estalvien memòria.

python
a = np.random.rand(1000000)

# Crea un nou array
b = a * 2

# Operació *in-situ* (modifica a directament)
a *= 2

Les operacions in-situ són especialment útils amb arrays grans.

Ús de funcions agregades amb axis ​

Les funcions agregades permeten especificar l'eix sobre el qual operar, evitant bucles manuals.

python
matrix = np.random.rand(1000, 1000)

# Suma per columnes
col_sums = np.sum(matrix, axis=0)

# Suma per files
row_sums = np.sum(matrix, axis=1)

# Mitjana global
mean = np.mean(matrix)

L'ús correcte del paràmetre axis fa el codi més clar i eficient.

Càlcul amb màscares booleanes ​

Les màscares booleanes permeten seleccionar i operar sobre subconjunts d'arrays de manera eficient.

python
a = np.array([1, -2, 3, -4, 5, -6])

# Selecció amb màscara
positives = a[a > 0]

# Modificació condicional
a[a < 0] = 0  # estableix els negatius a zero

# Comptatge d'elements
num_positives = np.sum(a > 0)

Això és molt més eficient que iterar amb bucles i condicionals.

Mesura del rendiment ​

És important mesurar el rendiment per identificar colls d'ampolla.

python
import time

a = np.random.rand(10000000)

inici = time.time()
resultat = np.sqrt(a)
final = time.time()
print(f"Temps: {final - inici:.4f} segons")

La mesura sistemàtica del temps d'execució ajuda a validar les optimitzacions.

Consideracions finals ​

Aquestes són algunes recomanacions generals per escriure codi amb NumPy:

  • Prioritzar la vectorització sobre els bucles explícits
  • Conèixer la diferència entre vistes i còpies
  • Utilitzar tipus de dades adequats a les necessitats
  • Aprofitar el broadcasting per simplificar el codi
  • Preal·locar arrays quan sigui possible
  • Utilitzar funcions universals de NumPy

Seguir aquestes pràctiques permet escriure codi NumPy que és alhora eficient i mantenible.

Jordi Petit
Lliçons.jutge.org
© Universitat Politècnica de Catalunya, 2025

lliçons.jutge.org

Copyright © 2025 Universitat Politècnica de Catalunya