R:Измерение времени выполнения выражений — различия между версиями

Материал Psylab.info - энциклопедии психодиагностики
Перейти к: навигация, поиск
м (→‎Пакет {{r-package|rbenchmark}}>)
м (Загрузка файла 2693-time-measure.wiki)
Строка 1: Строка 1:
−
{{CC-BY-4.0|author=автором Артём Клевцов}}
 
  
−
{{Pkg-req-notice}}
 
−
 
−
Для измерения времени выполнения выражений используют следующие инструменты:
 
−
* Функция <code>system.time()</code> из базового пакета;
 
−
* Cпециализированные функции (benchmarks, бенчмарки);
 
−
* Функция профилирования времени выполнения кода <code>Rprof()</code>.
 
−
 
−
== Функция <code>system.time</code> ==
 
−
 
−
Самый простой инструмент для измерения времени выполнения кода - функция <code>system.time()</code> из пакета {{r-package|base|core=true}}. В качестве аргумента функция <code>system.time()</code> принимает выражения и возвращает время выполнения данного выражения. Измерим время выполнения функции <code>Sys.sleep()</code>, которая останавливает выполнение кода на заданный интервал времени (в секундах):
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> system.time(Sys.sleep(1))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      0.003        0.004        1.000
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Как видим, на выполнение данной операции заняло ровно одну секунду.
 
−
 
−
Приведём ещё один пример. Сравним время вычисления встроенной в R функции <code>mean()</code> и среднего, вычисленного по формуле <math>\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_{i}</math>. на сгенерированном массиве нормально распределенных значений:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> x <- rnorm(10^7L)
 
−
> system.time(mean(x))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      0.020        0.000        0.023
 
−
> system.time(sum(x) / length(x))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      0.013        0.000        0.012
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Функция возвращает 3 значения:
 
−
* <code>user</code> - время CPU, которое занял пользователь;
 
−
* <code>system</code> - время CPU, которое заняла система;
 
−
* <code>elapsed</code> - реальное время, которое заняло выполнение команды.
 
−
 
−
Соответственно, в выводе функции нас интересует значение <code>elapsed</code>, который показывает время выполнения функции (выражения) в секундах. Как мы видим, внешне более сложное выражение <code>sum(x) / length(x)</code> выполняется быстрее стандартной функции <code>mean(x)</code>.
 
−
 
−
К сожалению, подобный способ достаточно ненадежен, так как для оценки времени выполнения выражения функция <code>system.time()</code> обращается к системным значениям времени. Следовательно, если во время выполнения кода параллельно производятся и другие операции на компьютере (а такое случается практически в ста процентах случаев), то возможно увеличение времени выполнения R-кода. Некоторую вариативность результатов можно увидеть, даже если выполнить функцию <code>system.time()</code> несколько раз подряд. Подобной неточности оценки можно избежать путём многократного повторения выполняемых выражений и вычислением среднего времени, что позволит сгладить часть вариаций.
 
−
 
−
Проиллюстрируем вышесказанное на примере:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> replicate(10, system.time(mean(x))[["elapsed"]])
 
−
[1] 0.024 0.020 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015 0.015 0.015 0.015
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
В этом примере с помощью функции <code>replicate()</code> мы повторили выражение <code>system.time(mean(x))</code> 10 раз, отфильтровав вывод функции <code>system.time()</code> так, чтобы нам выводилось только время выполнения команды, дописав <code>[["elapsed"]]</code>. Как мы видим, время выполнения при повторном выполнении выражения может отличаться.
 
−
 
−
Базовый пакет позволяет реализовать процедуру многократного повторения выражения функции как минимум двумя способами. Первый - функция <code>replicate()</code>. Приведенное выше сопоставление времени выполнения двух выражений при использовании функции <code>replicate()</code> будет выглядеть следующим образом:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> system.time(replicate(100, mean(x)))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      1.580        0.000        1.586
 
−
> system.time(replicate(100, sum(x) / length(x)))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      0.817        0.016        0.835
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Тот же самый эффект можно получить и с помощью обычного цикла <code>for()</code>:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> system.time(for (i in seq_len(100)) mean(x))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      1.583        0.000        1.590
 
−
> system.time(for (i in seq_len(100)) sum(x) / length(x))
 
−
пользователь      система      прошло
 
−
      0.797        0.000        0.800
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Можно также использовать описательные статистики в сочетании с множественными повторениями:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> median(replicate(100, system.time(mean(x))[["elapsed"]]))
 
−
[1] 0.0155
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
В примере выше мы взяли только значения <code>elapsed</code> и рассчитали медиану <ref>Медиана является более устойчивой мерой центральной тенденции при асимметрии распределения, что, как правило, характерно для измерения времени.</ref>.
 
−
 
−
Вместо подобных решений можно использовать специальные пакеты, предназначенные для измерения производительности кода, в частности, пакеты {{r-package|rbenchmark}} и {{r-package|microbenchmark}}. Основной принцип работы этих пакетов заключается в многократном выполнении выражений и расчёта ряда интегральных показателей, в частности, суммы, среднего значения или медианы времени выполнения всех попыток.
 
−
 
−
== Пакет {{r-package|rbenchmark}} ==
 
−
 
−
Основа пакета {{r-package|rbenchmark}} - функция <code>benchmark()</code>. Данная функция работает следующим образом: указанные в качестве аргументов выражения выполняются заданное количество раз (по умолчанию 100) и вычисляется время, затраченное на выполнение всех попыток. В качестве аргументов функции <code>benchmark()</code> необходимо передать выражения или функции, а также количество повторений, передаваемых аргументом replications<ref>Анализ функции <code>benchmark()</code> показал, что, данная функция использует <code>system.time()</code> и <code>replicate()</code>, рассмотренные в предыдущем разделе.</ref>.
 
−
 
−
Для примера возьмём несколько способов расчёта среднего арифметического для сгенерированного массива данных.
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> x <- replicate(10, rnorm(10^6L))
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Использованные нами способы - функции векторизованных вычислений (<code>apply()</code>, <code>vapply()</code>), стандартный цикл и специальная функция вычисления средних по столбцам <code>ColMeans()</code>. Представим эти способы в виде самостоятельных функций для удобства их вызова при работе с <code>benchmark()</code>:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>colMeansApply <- function(x) {
 
−
  apply(x, 2, mean)
 
−
}
 
−
 
−
colMeansVapply <- function(x) {
 
−
  vapply(seq_len(ncol(x)), function(i) mean(x[, i]), FUN.VALUE = numeric(1))
 
−
}
 
−
 
−
colMeansLoop <- function(x) {
 
−
  n.vars <- ncol(x)
 
−
  res <- double(n.vars)
 
−
  for (i in seq_len(n.vars))
 
−
    res[i] <- mean(x[, i])
 
−
  return(res)
 
−
}
 
−
 
−
colMeansLoopVec <- function(x) {
 
−
  n.vars <- ncol(x)
 
−
  n <- nrow(x)
 
−
  res <- double(n.vars)
 
−
  for (i in seq_len(n.vars))
 
−
    res[i] <- sum(x[, i]) / n
 
−
  return(res)
 
−
}
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Убедимся, что функции возвращают одинаковый результат. Сделать это можно с помощью функций <code>identical()</code> или <code>all.equal()</code>:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> identical(colMeansApply(x), colMeansVapply(x), colMeansLoop(x), colMeansLoopVec(x), colMeans(x))
 
−
[1] TRUE
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Теперь, подключив пакет {{r-package|rbenchmark}}, мы можем сравнить время работы каждого из выбранных нами способов вычисления средних по столбцам:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> library(rbenchmark)
 
−
> benchmark(colMeansApply(x), colMeansVapply(x), colMeansLoop(x),
 
−
+          colMeansLoopVec(x), colMeans(x), replications = 100)
 
−
          test replications elapsed relative user.self sys.self user.child sys.child
 
−
1  colMeansApply(x)          100  13.206  16.802    11.893    1.260          0        0
 
−
4 colMeansLoopVec(x)          100  6.931    8.818    6.793    0.113          0        0
 
−
3    colMeansLoop(x)          100  7.729    9.833    7.583    0.113          0        0
 
−
2  colMeansVapply(x)          100  7.724    9.827    7.630    0.067          0        0
 
−
5        colMeans(x)          100  0.786    1.000    0.784    0.000          0        0
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Наиболее важны для нас в выводе функции <code>benchmark()</code> столбцы <code>elapsed</code> и <code>relative</code>. Столбец <code>elapsed</code> показывает время в секундах, затраченное на выполнение интересующей нас функции. Как видим из примера, самыми медленными оказались функции <code>colMeansApply()</code> и <code>colMeansLoop()</code>, а самой быстрой <code>colMeans()</code>, причём превосходит остальные по скорости выполнения как минимум в 7 раз.
 
−
 
−
Показатель <code>relative</code> дает информацию о разнице во времени относительно самого быстрого выражения (в нашем случае это <code>ColMeans()</code>), т.е. время самого быстрого выражения берётся за единицу, и рассчитывается относительное время для остальных выражений.
 
−
 
−
Для более удобного просмотра можно отфильтровать вывод функции <code>benchmark()</code> с помощью аргумента <code>columns</code>. Также может быть полезен аргумент <code>order</code>, позволяющий отсортировать вывод по любому из столбцов. Для примера зададим набор показателей, которые мы хотим включить в таблицу (в данном случае это «test», «replications», «elapsed», «relative»), и отсортируем выдачу по столбцу «elapsed» по возрастанию значений:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> benchmark(colMeansApply(x), colMeansVapply(x), colMeansLoop(x), colMeansLoopVec(x), colMeans(x),
 
−
+          replications = 100, order = "relative",
 
−
+          columns = c("test", "replications", "elapsed", "relative"))
 
−
5        colMeans(x)          100  0.782    1.000
 
−
4 colMeansLoopVec(x)          100  6.890    8.811
 
−
3    colMeansLoop(x)          100  7.684    9.826
 
−
2  colMeansVapply(x)          100  7.716    9.867
 
−
1  colMeansApply(x)          100  13.142  16.806
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Таким образом, сравнив несколько альтернатив решения нашей задачи, мы можем сделать обоснованный выбор в пользу наиболее эффективного варианта.
 
−
 
−
Чтобы не указывать нужные столбцы каждый раз, когда используется функция <code>benchmark()</code>, можно закрепить заданный формат выдачи результатов (далее используется именно такой формат вывода, с сортировкой по столбцу «relative»). Для этого следует воспользоваться функцией <code>formals()</code>:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> formals(benchmark)$columns <- c("test", "replications", "elapsed", "relative")
 
−
> formals(benchmark)$order <- "relative"
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
== Пакет {{r-package|microbenchmark}} ==
 
−
 
−
Функция <code>microbenchmark()</code> одноименного пакета работает сходным с функцией <code>benchmark()</code> образом, но предоставляет более гибкие средства по управлению процессом выполнения выражений<ref>Но в отличии от функции benchmark() использует собственную реализацию измерения времени выполнения и организацию повторных испытаний.</ref>. Особенностями реализованных в пакете {{r-package|microbenchmark}} являются:
 
−
 
−
* Возможность измерения времени выполнения выражения вплоть до наносекунд;
 
−
* Возможность контролировать последовательность выполнения выражений: случайно или последовательно;
 
−
* Возможность проведения предварительных испытаний до начала процесса измерений.
 
−
 
−
Также с помощью функции <code>microbenchmark()</code> можно получить исходную информацию о времени выполнения каждой попытки, что даёт достаточно широкие возможности по обработке и анализу полученных результатов.
 
−
 
−
В таблице ниже представлено время выполнения пяти функций вычисления среднего значения из предыдущего примера, полученное с помощью функции <code>microbenchmark()</code>:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> res <- microbenchmark(colMeansApply(x), colMeansVapply(x), colMeansLoop(x),
 
−
+                      colMeansLoopVec(x), colMeans(x), times = 100)
 
−
> print(res, unit = "ms", order = "median")
 
−
Unit: milliseconds
 
−
              expr    min      lq median      uq    max neval
 
−
        colMeans(x)  7.796  7.828  7.87  7.943  8.063  100
 
−
colMeansLoopVec(x)  67.495  68.524  75.11  81.684 101.999  100
 
−
  colMeansVapply(x)  75.791  76.648  85.47  90.325  94.803  100
 
−
    colMeansLoop(x)  75.632  76.920  85.65  90.346  99.707  100
 
−
  colMeansApply(x) 102.908 127.148 132.24 136.095 144.833  100
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Все результаты представлены в виде описательных статистик, рассчитанных из времени выполнения каждой попытки. Наиболее информативный столбец - это столбец median, который показывает медиану времени выполнения выражения для всех попыток.
 
−
 
−
Вся полученная информация о попытках применения функций вычисления средних записана в отдельную переменную <code>res</code>. С помощью функции <code>str()</code> можно увидеть структуру переменной:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> str(res)
 
−
Classes ‘microbenchmark’ and 'data.frame': 500 obs. of  2 variables:
 
−
$ expr: Factor w/ 5 levels "colMeansApply(x)",..: 4 2 1 1 1 3 3 5 5 1 ...
 
−
$ time: num  1.02e+08 8.55e+07 1.04e+08 1.10e+08 1.29e+08 ...
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Переменная <code>res</code>, как можно увидеть в выводе функции <code>str()</code>, представляет собой список (list) и включает в себя две переменные: <code>expr</code> (выражение) и <code>time</code> (время выполнения). На основе этой информации и рассчитываются описательные статистики, приведённые в примере применения функции <code>microbenchmark()</code>. Наличие исходных данных о каждой попытке позволяет самостоятельно выбирать, рассчитывать и сравнивать предпочтитаемые показатели. Например, расчет медианного времени выполнения попытки и общего времени выполнения всех попыток для каждого выражения выглядит следующим образом:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> aggregate(time ~ expr, data = res, function(x) median(x) * 10^-6L)
 
−
                expr  time
 
−
1  colMeansApply(x) 132.24
 
−
2  colMeansVapply(x)  85.47
 
−
3    colMeansLoop(x)  85.65
 
−
4 colMeansLoopVec(x)  75.11
 
−
5        colMeans(x)  7.87
 
−
> aggregate(time ~ expr, data = res, function(x) sum(x) * 10^-6L)
 
−
                expr    time
 
−
1  colMeansApply(x) 13015.8
 
−
2  colMeansVapply(x)  8400.4
 
−
3    colMeansLoop(x)  8447.8
 
−
4 colMeansLoopVec(x)  7576.8
 
−
5        colMeans(x)  788.8
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Умножение на <math>10^{-6}</math> --- это перевод в миллисекунды. Чтобы получить секунды, нужно, соответственно, умножить на <math>10^{-9}</math>.
 
−
 
−
Помимо настройки формата вывода, выбора показателей, наличие информации о времени выполнения выражения в каждой попытке позволяет визуализировать результаты оценки времени выполнения выражения. Например, с помощью функции <code>autoplot()</code> из пакета {{r-package|ggplot2}}, можно получить следующий график:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> library(ggplot2)
 
−
> autoplot(res)
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
[[Файл:Microbenchmark-autoplot-colMeans.png|600px|центр]]
 
−
 
−
Ещё один довольно интересный способ графического представления результатов измерения скорости выполнения кода с помощью функции <code>qplot()</code> представлен ниже:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> qplot(y = time, data = res, colour = expr)
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
[[Файл:Microbenchmark-dotplot-colMeans.png|600px|центр]]
 
−
 
−
Так же можно, если возникнет необходимость, оценить статистическую значимость различий во времени выполнения выражений. Благодаря тому, что в переменной <code>res</code> хранятся данные о времени выполнения каждой попытки из заданного числа, становится возможным использование статистических критериев. Выбор  критерия - на усмотрение аналитика, в примере ниже использовался параметрический критерий сравнения групп t-Стьюдента с поправкой уровня статистической значимости Холма для множественных сравнений:
 
−
 
−
{{r-code|code=
 
−
<nowiki>> pairwise.t.test(res$time, res$expr)
 
−
 
−
Pairwise comparisons using t tests with pooled SD
 
−
 
−
data:  res$time and res$expr
 
−
 
−
                  colMeansApply(x) colMeansVapply(x) colMeansLoop(x) colMeansLoopVec(x)
 
−
colMeansVapply(x)  <2e-16          -                -              -               
 
−
colMeansLoop(x)    <2e-16          0.62              -              -               
 
−
colMeansLoopVec(x) <2e-16          <2e-16            <2e-16          -               
 
−
colMeans(x)        <2e-16          <2e-16            <2e-16          <2e-16           
 
−
 
−
P value adjustment method: holm
 
−
</nowiki>
 
−
}}
 
−
 
−
Из вышеприведённого вывода видно, что скорость выполнения всех функций статистически значимо разлиается у всех функций, за исключением пары <code>colMeansLoop(x)</code> - <code>colMeansVapply(x)</code> (p-уровень = 0.62).
 
−
 
−
== Примечания ==
 
−
<references />
 
−
 
−
== Ссылки ==
 
−
 
−
* Olaf Mersmann (2013). microbenchmark: Sub microsecond accurate timing functions.. R package version 1.3-0.
 
−
*: http://CRAN.R-project.org/package=microbenchmark
 
−
* Wacek Kusnierczyk (2012). rbenchmark: Benchmarking routine for R. R package version 1.0.0.
 
−
*: http://CRAN.R-project.org/package=rbenchmark
 
−
 
−
[[Категория:R]]
 
−
[[Категория:Оптимизация кода]]
 

Версия 04:34, 28 мая 2014