Polars是一个使用Apache Arrow列格式作为内存模型

 

 

导语

Polars 是一个使用 Apache Arrow 列格式作为内存模型，用Rust实现的，在Rust, Python以及Node.js中均可使用的速度极快的数据帧库。

它有以下几个特点：

• 懒|立即执行

• 多线程

• SIMD

• 查询优化

• 强大的表达式API

• 支持多种语言：Rust、Python 等

了解更多内容可以点击这个用户指南^[1]。

Python代码示例

>>> df = pl.DataFrame(
...     {
...         "A": [1, 2, 3, 4, 5],
...         "fruits": ["banana", "banana", "apple", "apple", "banana"],
...         "B": [5, 4, 3, 2, 1],
...         "cars": ["beetle", "audi", "beetle", "beetle", "beetle"],
...     }
... )

# embarrassingly parallel execution
# very expressive query language
>>> (
...     df
...     .sort("fruits")
...     .select(
...         [
...             "fruits",
...             "cars",
...             pl.lit("fruits").alias("literal_string_fruits"),
...             pl.col("B").filter(pl.col("cars") == "beetle").sum(),
...             pl.col("A").filter(pl.col("B") > 2).sum().over("cars").alias("sum_A_by_cars"),     # groups by "cars"
...             pl.col("A").sum().over("fruits").alias("sum_A_by_fruits"),                         # groups by "fruits"
...             pl.col("A").reverse().over("fruits").alias("rev_A_by_fruits"),                     # groups by "fruits
...             pl.col("A").sort_by("B").over("fruits").alias("sort_A_by_B_by_fruits"),            # groups by "fruits"
...         ]
...     )
... )
shape: (5, 8)
┌──────────┬──────────┬──────────────┬─────┬─────────────┬─────────────┬─────────────┬─────────────┐
│ fruits   ┆ cars     ┆ literal_stri ┆ B   ┆ sum_A_by_ca ┆ sum_A_by_fr ┆ rev_A_by_fr ┆ sort_A_by_B │
│ ---      ┆ ---      ┆ ng_fruits    ┆ --- ┆ rs          ┆ uits        ┆ uits        ┆ _by_fruits  │
│ str      ┆ str      ┆ ---          ┆ i64 ┆ ---         ┆ ---         ┆ ---         ┆ ---         │
│          ┆          ┆ str          ┆     ┆ i64         ┆ i64         ┆ i64         ┆ i64         │
╞══════════╪══════════╪══════════════╪═════╪═════════════╪═════════════╪═════════════╪═════════════╡
│ "apple"  ┆ "beetle" ┆ "fruits"     ┆ 11  ┆ 4           ┆ 7           ┆ 4           ┆ 4           │
├╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┤
│ "apple"  ┆ "beetle" ┆ "fruits"     ┆ 11  ┆ 4           ┆ 7           ┆ 3           ┆ 3           │
├╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┤
│ "banana" ┆ "beetle" ┆ "fruits"     ┆ 11  ┆ 4           ┆ 8           ┆ 5           ┆ 5           │
├╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┤
│ "banana" ┆ "audi"   ┆ "fruits"     ┆ 11  ┆ 2           ┆ 8           ┆ 2           ┆ 2           │
├╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┼╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌╌┤
│ "banana" ┆ "beetle" ┆ "fruits"     ┆ 11  ┆ 4           ┆ 8           ┆ 1           ┆ 1           │
└──────────┴──────────┴──────────────┴─────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┘

性能

Polars速度非常快，事实上，它是目前性能最好的解决方案之一。具体可参见h2oai's db基准测试结果^[2]。

此处我们自己用一些示例代码来对比python中pandas和polars处理数据的速度差距。

import pandas as pd
import polars as pl
import timeit

# 读取时间对比
start_df = timeit.default_timer()
df = pd.read_csv("/Users/lenskit/Desktop/aa.csv")
df = df.sort_values("company_name", ascending=False).head()
stop_df = timeit.default_timer()
print('time: ', stop_df - start_df)

start_pl = timeit.default_timer()
data = pl.read_csv("/Users/lenskit/Desktop/aa.csv")
data.sort(by="company_name", reverse=True).head()
stop_pl = timeit.default_timer()
print('time1: ', stop_pl - start_pl)

# 纵向拼接时间对比
start_df1 = timeit.default_timer()
df_1 = pd.read_csv('/Users/lenskit/Desktop/aa.csv')
df_2 = pd.read_csv('/Users/lenskit/Desktop/bb.csv')
df_1.append(df_2, ignore_index=True)
stop_df1 = timeit.default_timer()
print('time2: ', stop_df1 - start_df1)

start_pl1 = timeit.default_timer()
pl_1 = pl.read_csv('/Users/lenskit/Desktop/aa.csv')
pl_2 = pl.read_csv('/Users/lenskit/Desktop/bb.csv')
pl_1.vstack(pl_2)
stop_pl1 = timeit.default_timer()
print('time3: ', stop_pl1 - start_pl1)


time:  5.088931238
time1:  0.8967700230000002
time2:  4.707102063
time3:  0.639797883

可以看到在读取文件上，polars比pandas速度快了5倍多，在数据纵向拼接上，polars比pandas快了有7倍多。

Python安装

用如下语句安装最新的polars版本：

$ pip3 install -U polars[pyarrow]

目前polars的更新频率很高（每周/每隔几天），所以最好定期更新一下polars来获得最新的错误修复/功能。

Rust安装

您可以从crates.io获取最新版本，或者如果你想使用最新的功能/性能改进，可以用如下命令指向版本的master分支。

polars = { git = "https://github.com/pola-rs/polars", rev = "" }

注意需要Rust version >=1.58

文档

想知道Polars支持的所有功能吗？阅读文档！

Python

• 安装指南：$ pip3 install polars

• Python文档^[3]

• 用户指南^[4]

Rust

• Rust文件（主分支）^[5]

• 用户指南^[6]

Node

• 安装指南：yarn install nodejs-polars

• Node文档^[7]

• 用户指南^[8]

[Python]: 从源代码编译polars

如果你想要获取最前沿的版本或最大的性能，你应该从源代码编译Polar。

这可以通过按顺序执行以下步骤来完成：

• 1、安装最新的Rust编译器^[9]

• 2、安装maturin^[10]: $ pip3 install maturin

• 3、选择以下任一:

• 最快的二进制文件，非常长的编译时间：

• $ cd py-polars && maturin develop --rustc-extra-args="-C target-cpu=native" --release

• 较快的二进制文件，短一些的编译时间：

• $ cd py-polars && maturin develop --rustc-extra-args="-C codegen-units=16 -C lto=

需要注意的是，Python实现的Rust crate被称为py-polars，以区别于Rust crate包polars本身。然而，Python包和Python模块都被命名为polars，所以你可以pip install polars和import polars。

Arrow2

Polars已经转移到arrow2^[11]。Arrow2是Apache Arrow Columnar Format^[12]更快、更安全的实现。Arrow2还具有更细粒度的代码库，有助于减少编译器膨胀。

审核编辑 ：李倩

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