2016年5月14日 星期六

Python 研究-while 1比while True更快?

0. 前言

前些天被Python的多線程坑了一把,因此產生了寫一個《Python天坑系列》博客的想法,說說我碰到的那些Python的坑。

而天坑這個詞呢,一方面指Python的坑,另一方面也說明本系列文章也是個坑,對於會寫什麼內容、有多少篇、多久更新一次、什麼時間更新我都無法確定,哈哈(看,之前已經3個月沒有更新過了!)。

本篇是系列的第一篇,講的內容是Python的bool類型。
1. 前提
1.1 bool是int的子類

根據PEP285中Review部分第6條所述,bool類是從int類繼承而來的,這樣可以極大的簡化實現(C程式碼中呼叫PyInt_Check()的地方仍將繼續工作)。
1.2 Python2中True/False不是關鍵字,但Python3中是

我們可以導入keyword模組,來查看關鍵字:

keyword
Python
# Python2 ??字

>>> import keyword
>>> keyword.kwlist
>>> ['and', 'as', 'assert', 'break', 'class', 'continue', 'def', 'del', 'elif', 'else', 'except', 'exec', 'finally', 'for', 'from', 'global', 'if', 'import', 'in', 'is', 'lambda', 'not', 'or', 'pass', 'print', 'raise', 'return', 'try', 'while', 'with', 'yield']

   
# Python2 關鍵字

>>> import keyword
>>> keyword.kwlist
>>> ['and', 'as', 'assert', 'break', 'class', 'continue', 'def', 'del', 'elif', 'else', 'except', 'exec', 'finally', 'for', 'from', 'global', 'if', 'import', 'in', 'is', 'lambda', 'not', 'or', 'pass', 'print', 'raise', 'return', 'try', 'while', 'with', 'yield']

而在Python3中,關鍵字中增加了True/False/None。

由於Python2中True/False不是關鍵字,因此我們可以對其進行任意的賦值:

Python2 True賦值
Python
>>> (1 == 1) == True
True
>>> True = "pythoner.com"
>>> (1 == 1) == True    
False

   
>>> (1 == 1) == True
True
>>> True = "pythoner.com"
>>> (1 == 1) == True    
False

2. True + True = 2

由於bool是繼承自int的子類,因此為了保證向下兼容性,在進行算術運算中,True/False會被當作int值來執行。

True + True = 2
Python
>>> True + True
2
>>> True - True
0
>>> True * True
1
>>> (True + True) > 1
True
>>> True + 5
6
>>> 1 / False
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ZeroDivisionError: integer division or modulo by zero

   
>>> True + True
2
>>> True - True
0
>>> True * True
1
>>> (True + True) > 1
True
>>> True + 5
6
>>> 1 / False
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ZeroDivisionError: integer division or modulo by zero

3. While 1比While True快?

首先來看一個比較while 1和while True循環的scripts,兩個函數中,除了1和True的區別之外,其他地方完全相同。

while 1與while True比較
Python
#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-

import timeit

def while_one():
    i = 0
    while 1:
        i += 1
        if i == 10000000:
            break

def while_true():
    i = 0
    while True:
        i += 1
        if i == 10000000:
            break

if __name__ == "__main__":
    w1 = timeit.timeit(while_one, "from __main__ import while_one", number=3)
    wt = timeit.timeit(while_true, "from __main__ import while_true", number=3)
    print "while one: %s\nwhile_true: %s" % (w1, wt)

   
#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-

import timeit

def while_one():
    i = 0
    while 1:
        i += 1
        if i == 10000000:
            break

def while_true():
    i = 0
    while True:
        i += 1
        if i == 10000000:
            break

if __name__ == "__main__":
    w1 = timeit.timeit(while_one, "from __main__ import while_one", number=3)
    wt = timeit.timeit(while_true, "from __main__ import while_true", number=3)
    print "while one: %s\nwhile_true: %s" % (w1, wt)

執行結果:
while one: 1.37000703812
while_true: 2.07638716698

可以看出wihle 1的執行時間約為while True的2/3。

那麼,這是為什麼呢?

其實這就是前提中提到的關鍵字的問題。由於Python2中,True/False不是關鍵字,因此我們可以對其進行任意的賦值,這就導致程式在每次循環時都需要對True/False的值進行檢查;而對於1,則被程式進行了優化,而後不會再進行檢查。

我們可以通過dis模組來查看while_one和while_true的字元碼,下面的程式是對剛才的程式進行了一定的簡化後的版本。

while 1和while True的字元碼程式
Python
#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-  

import dis

def while_one():
    while 1:
        pass

def while_true():
    while True:
        pass

if __name__ == "__main__":
    print "while_one\n"
    dis.dis(while_one)
   
    print "while_true\n"
    dis.dis(while_true)

   
#! /usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-  

import dis

def while_one():
    while 1:
        pass

def while_true():
    while True:
        pass

if __name__ == "__main__":
    print "while_one\n"
    dis.dis(while_one)
   
    print "while_true\n"
    dis.dis(while_true)

執行的結果是:

while 1和while True的字元碼執行結果
Python
while_one

  6           0 SETUP_LOOP               3 (to 6)

  7     >>    3 JUMP_ABSOLUTE            3
        >>    6 LOAD_CONST               0 (None)
              9 RETURN_VALUE       
while_true

 10           0 SETUP_LOOP              10 (to 13)
        >>    3 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              6 POP_JUMP_IF_FALSE       12

 11           9 JUMP_ABSOLUTE            3
        >>   12 POP_BLOCK          
        >>   13 LOAD_CONST               0 (None)
             16 RETURN_VALUE       

   
while_one

  6           0 SETUP_LOOP               3 (to 6)

  7     >>    3 JUMP_ABSOLUTE            3
        >>    6 LOAD_CONST               0 (None)
              9 RETURN_VALUE       
while_true

 10           0 SETUP_LOOP              10 (to 13)
        >>    3 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              6 POP_JUMP_IF_FALSE       12

 11           9 JUMP_ABSOLUTE            3
        >>   12 POP_BLOCK          
        >>   13 LOAD_CONST               0 (None)
             16 RETURN_VALUE       

可以看出,正如上面所講到的,在while True的時候,字元碼中多出了幾行語句,正是這幾行語句進行了True值的檢查。

而在Python3中,由於True/False已經是關鍵字了,不允許進行重新賦值,因此,其執行結果與while 1不再有區別(好吧,我這沒有Python3的環境,就不去驗證了,網上有人驗證過了)。但是由於Python2的使用十分廣泛,因此大家不得不注意這個可能會降低性能的地方。
4. if x == True: 還是 if x:

在PEP285中,還提到了這兩種寫法的比較。PEP285中認為,==具有傳遞性,a==b, b==c會被化簡為a==c。也就是說,如果選擇前一種寫法的話,6和7在if語句中都應該被認為是真值,那麼就會造成6==True==7,被化簡為6==7的問題,因此後一種寫法才是正確的。

現在,讓我們偏個題,假設x就是True,那麼程式的執行效率又如何呢?

if x == True:和if x:比較
Python
#! /usr/bin/python                                                                         
# -*- coding: utf-8 -*-

import timeit

def if_x_eq_true():
    x = True
    if x == True:
        pass

def if_x():
    x = True
    if x:
        pass

if __name__ == "__main__":
    if1 = timeit.timeit(if_x_eq_true, "from __main__ import if_x_eq_true", number = 1000000)
    if2 = timeit.timeit(if_x, "from __main__ import if_x", number = 1000000)

    print "if_x_eq_true: %s\nif_x: %s" % (if1, if2)

   
#! /usr/bin/python                                                                         
# -*- coding: utf-8 -*-

import timeit

def if_x_eq_true():
    x = True
    if x == True:
        pass

def if_x():
    x = True
    if x:
        pass

if __name__ == "__main__":
    if1 = timeit.timeit(if_x_eq_true, "from __main__ import if_x_eq_true", number = 1000000)
    if2 = timeit.timeit(if_x, "from __main__ import if_x", number = 1000000)

    print "if_x_eq_true: %s\nif_x: %s" % (if1, if2)

執行結果是:
if_x_eq_true: 0.212558031082
if_x: 0.144327878952

讓我們再來看看字元碼(程式未作修改,dis的使用方式同上,因此不再給出程式):

if x == True:和if x:的字元碼
Python
if_x_eq_true

  8           0 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              3 STORE_FAST               0 (x)

  9           6 LOAD_FAST                0 (x)
              9 LOAD_GLOBAL              0 (True)
             12 COMPARE_OP               2 (==)
             15 POP_JUMP_IF_FALSE       21

 10          18 JUMP_FORWARD             0 (to 21)
        >>   21 LOAD_CONST               0 (None)
             24 RETURN_VALUE       
if_x

 13           0 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              3 STORE_FAST               0 (x)

 14           6 LOAD_FAST                0 (x)
              9 POP_JUMP_IF_FALSE       15

 15          12 JUMP_FORWARD             0 (to 15)
        >>   15 LOAD_CONST               0 (None)
             18 RETURN_VALUE       

   
if_x_eq_true

  8           0 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              3 STORE_FAST               0 (x)

  9           6 LOAD_FAST                0 (x)
              9 LOAD_GLOBAL              0 (True)
             12 COMPARE_OP               2 (==)
             15 POP_JUMP_IF_FALSE       21

 10          18 JUMP_FORWARD             0 (to 21)
        >>   21 LOAD_CONST               0 (None)
             24 RETURN_VALUE       
if_x

 13           0 LOAD_GLOBAL              0 (True)
              3 STORE_FAST               0 (x)

 14           6 LOAD_FAST                0 (x)
              9 POP_JUMP_IF_FALSE       15

 15          12 JUMP_FORWARD             0 (to 15)
        >>   15 LOAD_CONST               0 (None)
             18 RETURN_VALUE       

可以清晰的看到第9行比第14行,多出了檢查True值和進行比較的操作。

也就是說,不論從遵循PEP的規範,還是執行效率,或者程式的簡潔性來說,我們都應該使用if x:,而不是if x == True:來進行比較。同理,那些if x is not None:之類的語句也應當被簡化為if x:(如果要比較的是非值,而不必須是None的話)。
5. References

http://legacy.python.org/dev/peps/pep-0285/
http://stackoverflow.com/questions/3815359/while-1-vs-for-whiletrue-why-is-there-a-difference

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