Python?實現(xiàn)循環(huán)最快方式（for、while?等速度對比）

更新時間：2022年01月05日 08:39:42 作者：Python之禪

這篇文章主要介紹了Python?利用for、while?實現(xiàn)循環(huán)最快方式，文章主要對for、while?等速度對比詳細(xì)介紹，具有一定的參考價值?，需要的小伙伴可以參考一下

文章轉(zhuǎn)自微信公眾號-Python之禪

眾所周知，Python 不是一種執(zhí)行效率較高的語言。此外在任何語言中，循環(huán)都是一種非常消耗時間的操作。假如任意一種簡單的單步操作耗費的時間為 1 個單位，將此操作重復(fù)執(zhí)行上萬次，最終耗費的時間也將增長上萬倍。

while 和 for 是 Python 中常用的兩種實現(xiàn)循環(huán)的關(guān)鍵字，它們的運行效率實際上是有差距的。

比如下面的測試代碼：

import timeit


def while_loop(n=100_000_000):
? ? i = 0
? ? s = 0
? ? while i < n:
? ? ? ? s += i
? ? ? ? i += 1
? ? return s


def for_loop(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? s += i
? ? return s


def main():
? ? print('while loop\t\t', timeit.timeit(while_loop, number=1))
? ? print('for loop\t\t', timeit.timeit(for_loop, number=1))


if __name__ == '__main__':
? ? main()
# => while loop ? ? ? ? ? ? ? 4.718853999860585
# => for loop ? ? ? ? ? ? ? ? 3.211570399813354

這是一個簡單的求和操作，計算從 1 到 n 之間所有自然數(shù)的總和?？梢钥吹?for 循環(huán)相比 while 要快 1.5 秒。

其中的差距主要在于兩者的機制不同。

在每次循環(huán)中，while 實際上比 for 多執(zhí)行了兩步操作：邊界檢查和變量 i 的自增。即每進(jìn)行一次循環(huán)，while 都會做一次邊界檢查(while i < n）和自增計算（i +=1）。這兩步操作都是顯式的純 Python 代碼。

for 循環(huán)不需要執(zhí)行邊界檢查和自增操作，沒有增加顯式的 Python 代碼（純 Python 代碼效率低于底層的 C 代碼）。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)足夠多，就出現(xiàn)了明顯的效率差距。

可以再增加兩個函數(shù)，在 for 循環(huán)中加上不必要的邊界檢查和自增計算：

import timeit


def while_loop(n=100_000_000):
? ? i = 0
? ? s = 0
? ? while i < n:
? ? ? ? s += i
? ? ? ? i += 1
? ? return s


def for_loop(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? s += i
? ? return s


def for_loop_with_inc(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? s += i
? ? ? ? i += 1
? ? return s


def for_loop_with_test(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? if i < n:
? ? ? ? ? ? pass
? ? ? ? s += i
? ? return s


def main():
? ? print('while loop\t\t', timeit.timeit(while_loop, number=1))
? ? print('for loop\t\t', timeit.timeit(for_loop, number=1))
? ? print('for loop with increment\t\t',
? ? ? ? ? timeit.timeit(for_loop_with_inc, number=1))
? ? print('for loop with test\t\t', timeit.timeit(for_loop_with_test, number=1))


if __name__ == '__main__':
? ? main()
# => while loop ? ? ? ? ? ? ? 4.718853999860585
# => for loop ? ? ? ? ? ? ? ? 3.211570399813354
# => for loop with increment ? ? ? ? ?4.602369500091299
# => for loop with test ? ? ? ? ? ? ? 4.18337869993411

可以看出，增加的邊界檢查和自增操作確實大大影響了 for 循環(huán)的執(zhí)行效率。

前面提到過，Python 底層的解釋器和內(nèi)置函數(shù)是用 C 語言實現(xiàn)的。而 C 語言的執(zhí)行效率遠(yuǎn)大于 Python。

對于上面的求等差數(shù)列之和的操作，借助于 Python 內(nèi)置的 sum 函數(shù)，可以獲得遠(yuǎn)大于 for 或 while 循環(huán)的執(zhí)行效率。

import timeit


def while_loop(n=100_000_000):
? ? i = 0
? ? s = 0
? ? while i < n:
? ? ? ? s += i
? ? ? ? i += 1
? ? return s


def for_loop(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? s += i
? ? return s


def sum_range(n=100_000_000):
? ? return sum(range(n))


def main():
? ? print('while loop\t\t', timeit.timeit(while_loop, number=1))
? ? print('for loop\t\t', timeit.timeit(for_loop, number=1))
? ? print('sum range\t\t', timeit.timeit(sum_range, number=1))


if __name__ == '__main__':
? ? main()
# => while loop ? ? ? ? ? ? ? 4.718853999860585
# => for loop ? ? ? ? ? ? ? ? 3.211570399813354
# => sum range ? ? ? ? ? ? ? ?0.8658821999561042

可以看到，使用內(nèi)置函數(shù) sum 替代循環(huán)之后，代碼的執(zhí)行效率實現(xiàn)了成倍的增長。

內(nèi)置函數(shù) sum 的累加操作實際上也是一種循環(huán)，但它由 C 語言實現(xiàn)，而 for 循環(huán)中的求和操作是由純 Python 代碼 s += i 實現(xiàn)的。C > Python。

再拓展一下思維。小時候都聽說過童年高斯巧妙地計算 1 到 100 之和的故事。1…100 之和等于 (1 + 100) * 50。這個計算方法同樣可以應(yīng)用到上面的求和操作中。

import timeit


def while_loop(n=100_000_000):
? ? i = 0
? ? s = 0
? ? while i < n:
? ? ? ? s += i
? ? ? ? i += 1
? ? return s


def for_loop(n=100_000_000):
? ? s = 0
? ? for i in range(n):
? ? ? ? s += i
? ? return s


def sum_range(n=100_000_000):
? ? return sum(range(n))


def math_sum(n=100_000_000):
? ? return (n * (n - 1)) // 2


def main():
? ? print('while loop\t\t', timeit.timeit(while_loop, number=1))
? ? print('for loop\t\t', timeit.timeit(for_loop, number=1))
? ? print('sum range\t\t', timeit.timeit(sum_range, number=1))
? ? print('math sum\t\t', timeit.timeit(math_sum, number=1))


if __name__ == '__main__':
? ? main()
# => while loop ? ? ? ? ? ? ? 4.718853999860585
# => for loop ? ? ? ? ? ? ? ? 3.211570399813354
# => sum range ? ? ? ? ? ? ? ?0.8658821999561042
# => math sum ? ? ? ? ? ? ? ? 2.400018274784088e-06

最終math sum 的執(zhí)行時間約為 2.4e-6，縮短了上百萬倍。這里的思路就是，既然循環(huán)的效率低，一段代碼要重復(fù)執(zhí)行上億次。

索性直接不要循環(huán)，通過數(shù)學(xué)公式，把上億次的循環(huán)操作變成只有一步操作。效率自然得到了空前的加強。

最后的結(jié)論：

實現(xiàn)循環(huán)的最快方式—— —— ——就是不用循環(huán)

對于 Python 而言，則盡可能地使用內(nèi)置函數(shù)，將循環(huán)中的純 Python 代碼降到最低。

當(dāng)然，內(nèi)置函數(shù)在某些情況下還不是最快的。比如在創(chuàng)建列表的時候，是字面量寫法的速度更快

到此這篇關(guān)于Python 實現(xiàn)循環(huán)最快方式（for、while 等速度對比）的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python 實現(xiàn)循環(huán)最快方式內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

參考資料：

The Fastest Way to Loop in Python - mCoding (https://youtu.be/Qgevy75co8c)

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