Python 性能优化｜多线程读取文件-Toy模板网

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分析结论

多进程可以实现逐行遍历同一个文件（可以保证每一个进程遍历的行都是完整且互不重复的），且可以提高遍历性能。

多进程 / 多线程遍历文件速度

单进程、多线程读取同一个文件时，每个线程的运行时间并不能随线程数的增加的降低；
多进程读取同一个文件时，每个进程的运行时间随线程数的增加而降低。

进一步优化方法

通过统计读取到的字符串长度，计算当前文件指针位置，从而避免在每次遍历中均需使用 file.tell() 获取当前文件指针位置。

分析过程

构造 11202 MB、691130 行的测试数据。具体测试数据特征如下：

文件大小：11746098941 Bytes（11202 MB）
行数：691130

import time

1. 单进程、单线程遍历文件

t1 = time.time()
with open(path, "r", encoding="UTF-8") as file:
    for _ in file:
        pass
t2 = time.time()
print(t2 - t1)

运行时间：21.79 秒（三次测试 23.55、20.84、21.00 取平均值）

2. 多线程遍历文件

import os
from theading import Thread

定义每个线程 / 进程的遍历函数如下：通过捕获 UnicodeDecodeError 异常，避免出现刚好切分到半个字的情况；通过在遍历前先 file.readline()，使每一个切分点中尚未结束的行一定归属上一进程 / 线程而不是下一进程 / 线程，从而保证每一个进程 / 线程遍历的每一行都是完整且互不重复的。

def read(path, start, end):
    """每个进程 / 线程的遍历函数

    Parameters
    ----------
    path : str
        文件路径
    start : int
        本分块的开始位置
    end : int
        本分块的结束位置
    """
    cnt = 0
    with open(path, "r", encoding="UTF-8") as file:
        file.seek(start)  # 移动到目标位置
        if start != 0:
            while True:
                try:
                    file.readline()  # 跳过当前行（所有未遍历完的行属于上一段）
                    break
                except UnicodeDecodeError:  # 刚好切分到半个字，向后移动一个字符
                    file.seek(start + 1)
        while file.tell() <= end:
            file.readline()
            cnt += 1

定义多线程遍历函数：

def multi_thread_load_csv(path: str, n_thread: int):
    """多线程遍历函数"""
    size = os.path.getsize(path)  # 获取文件大小用于分块
    thread_lst = []
    for i in range(n_thread):
        s = size // n_thread * i  # 计算当前分块开始位置
        e = size // n_thread * (i + 1)  # 计算当前分块结束位置
        thread = Thread(target=read, args=(s, e))
        thread.start()
        thread_lst.append(thread)

    for thread in thread_lst:
        thread.join()

测试线程数为 1 - 10 之间的读取时间，每种线程数测试 10 次，测试代码及结果如下：

import numpy as np

for k in range(1, 11):
    use_time = []
    for _ in range(10):
        t1 = time.time()
        multi_thread_load_csv("/home/txjiang/archive_analysis/gather_detail.txt", k)
        t2 = time.time()
        use_time.append(t2 - t1)
        print(f"线程={k} 平均时间={np.average(use_time)} 标准差={np.std(use_time)}")

线程数	用时的平均值	用时的标准差
1	49.0841	0.6299
2	53.2189	1.4267
3	53.5290	1.3273
4	56.4923	1.4843
5	56.6679	3.2745
6	56.5164	1.7789
7	58.2352	1.1148
8	58.2353	0.6817
9	60.9896	1.3365
10	64.2063	2.3251

因为在每一行的遍历中需要增加一次 file.tell()，所以单线程时的速度相较于直接读取会更慢。

3. 多进程遍历文件

from multiprocessing import Process

定义多进程遍历函数：

def multi_process_load_csv(path: str, n_process: int):
    """多进程遍历函数"""
    size = os.path.getsize(path)  # 获取文件大小用于分块
    process_lst = []
    for i in range(n_process):
        s = size // n_process * i  # 计算当前分块开始位置
        e = size // n_process * (i + 1)  # 计算当前分块结束位置
        process = Process(target=read, args=(s, e))
        process.start()
        process_lst.append(process)
    for process in process_lst:
        process.join()

测试线程数为 1 - 10 之间的读取时间，每种线程数测试 10 次，测试代码及结果如下：

import numpy as np

for k in range(1, 11):
    use_time = []
    for _ in range(10):
        t1 = time.time()
        multi_process_load_csv("/home/txjiang/archive_analysis/gather_detail.txt", k)
        t2 = time.time()
        use_time.append(t2 - t1)
        print(f"线程={k} 平均时间={np.average(use_time)} 标准差={np.std(use_time)}")

进程数	用时的平均值	用时的标准差
1	50.1561	0.8431
2	26.5089	0.5581
3	17.7663	0.2771
4	13.4338	0.3024
5	10.7654	0.2950
6	9.1950	0.3471
7	7.7160	0.1764
8	7.0321	0.1938
9	6.3484	0.2150
10	5.6354	0.1271
11	5.1283	0.2361
12	4.7841	0.0512
13	4.5149	0.2186
14	4.1525	0.0533
15	3.9554	0.1442
16	3.8481	0.1167
17	3.6455	0.0763
18	3.4030	0.0255
19	3.3732	0.2159
20	3.1933	0.0674
21	3.0091	0.0845
22	2.9235	0.0646
23	2.9474	0.2234
24	2.7500	0.0382
25	2.6592	0.0340
26	2.5687	0.0333
27	2.6273	0.3457
28	2.4343	0.0253
29	2.3647	0.0223
30	2.2572	0.0343