R:Измерение времени выполнения выражений — различия между версиями

Версия 13:03, 23 января 2014

	Материал «R:Измерение времени выполнения выражений», созданный автором Артём Клевцов, публикуется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
	Вы можете свободно: делиться произведением – копировать, распространять и передавать данное произведение. создавать производные – переделывать данное произведение. При соблюдении следующих условий: указание авторства - Вы должны указывать авторство (источник) данного произведения в виде, установленном автором или лицензиаром (но ни в коем случае не таким образом, который наводит на мысль, что автор поддерживает вас или ваше использование данного произведения). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 CC-BY-4.0 Creative Commons Attribution 4.0 true true

Для измерения времени выполнения выражений используют следующие инструменты:

• Функция Шаблон:Inline-code из базового пакета;
• Cпециализированные функции (benchmarks, бенчмарки);
• Функция профилирования времени выполнения кода Шаблон:Inline-code.

Функция system.time()

Самый простой инструмент для измерения времени выполнения кода - функция Шаблон:Inline-code из пакета Шаблон:Inline-code. В качестве аргумента функция Шаблон:Inline-code принимает выражения и возвращает время выполнения данного выражения. Измерим время выполнения функции Шаблон:Inline-code, которая останавливает выполнение кода на заданный интервал времени (в секундах):

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > system.time(Sys.sleep(1)) пользователь система прошло

      0.003        0.004        1.000

</syntaxhighlight>

Как видим, на выполнение данной операции заняло ровно одну секунду.

Приведём ещё один пример. Сравним время вычисления встроенной в R функции Шаблон:Inline-code и среднего, вычисленного по формуле [math]\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}x_{i}[/math]. на сгенерированном массиве нормально распределенных значений:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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

</syntaxhighlight>

Функция возвращает 3 значения:

• user - время CPU, которое занял пользователь;
• system - время CPU, которое заняла система;
• elapsed - реальное время, которое заняло выполнение команды.

Соответственно, в выводе функции нас интересует значение Шаблон:Inline-code, который показывает время выполнения функции (выражения) в секундах. Как мы видим, внешне более сложное выражение Шаблон:Inline-code выполняется быстрее стандартной функции Шаблон:Inline-code.

К сожалению, подобный способ достаточно ненадежен, так как для оценки времени выполнения выражения функция Шаблон:Inline-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 Шаблон:Inline-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:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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

</syntaxhighlight>

В этом примере с помощью функции Шаблон:Inline-code мы повторили выражение Шаблон:Inline-code 10 раз, отфильтровав вывод функции Шаблон:Inline-code так, чтобы нам выводилось только время выполнения команды, дописав Шаблон:Inline-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 Шаблон:Inline-code. Приведенное выше сопоставление времени выполнения двух выражений при использовании функции Шаблон:Inline-code будет выглядеть следующим образом:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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

</syntaxhighlight>

Тот же самый эффект можно получить и с помощью обычного цикла Шаблон:Inline-code:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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

</syntaxhighlight>

Можно также использовать описательные статистики в сочетании с множественными повторениями:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > median(replicate(100, system.time(mean(x))"elapsed")) [1] 0.0155 </syntaxhighlight>

В примере выше мы взяли только значения Шаблон:Inline-code и рассчитали медиану ^[1].

Вместо подобных решений можно использовать специальные пакеты, предназначенные для измерения производительности кода, в частности, пакеты Шаблон:Inline-code и Шаблон:Inline-code. 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 rbenchmark

Основа пакета Шаблон:Inline-code - функция Шаблон:Inline-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 Шаблон:Inline-code необходимо передать выражения или функции, а также количество повторений, передаваемых аргументом replications^[2].

Для примера возьмём несколько способов расчёта среднего арифметического для сгенерированного массива данных.

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > x <- replicate(10, rnorm(10^6L)) </syntaxhighlight>

Использованные нами способы - функции векторизованных вычислений (Шаблон:Inline-code, Шаблон:Inline-code), стандартный цикл и специальная функция вычисления средних по столбцам Шаблон:Inline-code. Представим эти способы в виде самостоятельных функций для удобства их вызова при работе с Шаблон:Inline-code:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> 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)

} </syntaxhighlight>

Убедимся, что функции возвращают одинаковый результат. Сделать это можно с помощью функций Шаблон:Inline-code или Шаблон:Inline-code:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > identical(colMeansApply(x), colMeansVapply(x), colMeansLoop(x), colMeansLoopVec(x), colMeans(x)) [1] TRUE </syntaxhighlight>

Теперь, подключив пакет rbenchmark, мы можем сравнить время работы каждого из выбранных нами способов вычисления средних по столбцам:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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 </syntaxhighlight>

Наиболее важны для нас в выводе функции Шаблон:Inline-code столбцы elapsed и relative. Столбец elapsed показывает время, затраченное на выполнение интересующей нас функции. Как видим из примера, самыми медленными оказались функции Шаблон:Inline-code и Шаблон:Inline-code, а самой быстрой Шаблон:Inline-code, причём превосходит остальные по скорости выполнения как минимум в 7 раз.

Показатель relative дает информацию о разнице во времени относительно самого быстрого выражения (в нашем случае это Шаблон:Inline-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 Шаблон:Inline-code с помощью аргумента columns. Также может быть полезен аргумент order, 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:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > 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 </syntaxhighlight>

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 Шаблон:Inline-code, можно закрепить заданный формат выдачи результатов (далее используется именно такой формат вывода, с сортировкой по столбцу «relative»). Для этого следует воспользоваться функцией Шаблон:Inline-code:

<syntaxhighlight lang="rsplus"> > formals(benchmark)$columns <- c("test", "replications", "elapsed", "relative") > formals(benchmark)$order <- "relative" </syntaxhighlight>

Пакет microbenchmark

Примечания

1. ↑ Медиана является более устойчивой мерой центральной тенденции при асимметрии распределения, что, как правило, характерно для измерения времени.
2. ↑ Анализа функции Шаблон:Inline-code показал, что, данная функция использует Шаблон:Inline-code и Шаблон:Inline-code, рассмотренные в предыдущем разделе.