Polars中利用列值作为字典键进行数据过滤的策略与实践

本文探讨了在polars中尝试使用列值作为字典键时遇到的`typeerror: unhashable type: 'expr'`错误及其解决方案。核心问题在于polars表达式无法直接作为python字典的键。文章提供了两种主要策略：一是利用`map_elements`进行行级别转换，直接实现字典查找，但效率相对较低；二是推荐通过扁平化嵌套字典并与主dataframe进行连接（join）操作，这是一种更符合polars高性能特性的优化方法，能够显著提升数据过滤的效率和可维护性。

在Polars数据处理中，我们经常需要根据DataFrame中某一列或多列的值去查找外部Python字典中的对应数据。然而，直接将Polars的列表达式（如pl.col("cliente")）作为Python字典的键使用，会导致TypeError: unhashable type: 'Expr'错误。这是因为pl.col()返回的是一个Polars表达式对象，而非具体的、可哈希的值，Python字典无法将其作为键进行查找。本教程将详细介绍如何优雅且高效地解决这一问题。

理解问题根源：表达式的不可哈希性

当我们尝试执行类似以下代码时：

# 假设 nested_dict 是一个嵌套字典
# 例如: nested_dict = {'A': {'X': 10, 'Y': 20}, 'B': {'X': 30, 'Y': 40}}
# 假设 df_x 包含 'cliente', 'cluster', 'score' 列
df_x = (
    df_x
    .filter(pl.col("score") == nested_dict[pl.col("cliente")][pl.col("cluster")])
)

nested_dict[pl.col("cliente")]会尝试使用pl.col("cliente")这个Polars表达式对象作为字典的键。由于Polars表达式是代表计算逻辑的对象，而非具体的数据值，它不具备Python字典键所需的哈希性，因此会抛出TypeError: unhashable type: 'Expr'。

为了解决这个问题，我们需要确保在字典查找发生时，pl.col()表达式已经被解析为实际的列值。

解决方案一：使用 map_elements 进行行级别转换

一种直接但效率可能不高的解决方案是利用Polars的map_elements方法。map_elements允许我们将一个Python函数应用到Polars Series的每个元素上，从而在Python环境中解析列值并进行字典查找。

为了处理嵌套字典，我们首先需要将涉及到的多列（例如cliente和cluster）组合成一个结构体（struct），然后对这个结构体应用map_elements。

import polars as pl

# 示例数据
df_x = pl.DataFrame({
    "cliente": ["A", "A", "B", "B", "C"],
    "cluster": ["X", "Y", "X", "Y", "X"],
    "score": [10, 20, 30, 45, 100]
})

nested_dict = {
    'A': {'X': 10, 'Y': 20},
    'B': {'X': 30, 'Y': 40},
    'C': {'X': 50, 'Y': 60}
}

# 使用 map_elements 进行过滤
filtered_df_map = (
    df_x
    .filter(
        pl.col('score').eq(
            pl.struct('cliente', 'cluster')
                .map_elements(lambda x: (
                    nested_dict[x['cliente']][x['cluster']]
                    ), return_dtype=pl.Int64) # 指定返回类型
        )
    )
)

print("使用 map_elements 过滤结果:")
print(filtered_df_map)

解释：

1. pl.struct('cliente', 'cluster') 将 cliente 和 cluster 两列打包成一个结构体Series。
2. .map_elements(lambda x: nested_dict[x['cliente']][x['cluster']], return_dtype=pl.Int64) 对这个结构体Series的每个元素（即每一行对应的 {'cliente': val1, 'cluster': val2} 字典）应用一个匿名函数。
3. 在匿名函数内部，x['cliente'] 和 x['cluster'] 已经解析为具体的Python值，可以安全地作为nested_dict的键进行查找。
4. return_dtype 参数非常重要，它告诉Polars map_elements 函数返回的数据类型，有助于Polars进行类型推断和优化。

注意事项：map_elements 虽然解决了问题，但它会在Polars的优化器之外调用Python函数，这会引入Python解释器的开销。对于大型数据集，这种方法可能不是最高效的，因为它无法充分利用Polars的向量化和并行计算能力。

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解决方案二：优化方法 - 扁平化字典并进行连接（Join）

更符合Polars高性能哲学的做法是将外部的嵌套字典转换为一个Polars DataFrame，然后通过连接（join）操作将其与主DataFrame关联起来。这种方法将字典查找转换为DataFrame之间的列匹配，从而能够利用Polars的优化查询引擎。

步骤一：扁平化嵌套字典

首先，我们需要将 nested_dict 转换为一个扁平的Polars DataFrame，其中包含 cliente、cluster 和对应的 cluster_value 列。

# 扁平化嵌套字典
df_nested_prelim = pl.from_dict(nested_dict)

df_nested_parts = []
for col_name in df_nested_prelim.columns:
    df_nested_parts.append(
        df_nested_prelim.lazy()
        .select(pl.col(col_name).alias("cluster_data")) # 重命名，避免unnest后列名冲突
        .unnest("cluster_data") # 展开内部字典
        .unpivot(index_columns=[], variable_name='cluster', value_name='cluster_value') # 将cluster键转换为行
        .with_columns(cliente=pl.lit(col_name)) # 添加cliente列
    )

df_nested = pl.concat(df_nested_parts).collect()

print("\n扁平化后的字典DataFrame:")
print(df_nested)

解释：

1. pl.from_dict(nested_dict) 将顶层字典键（A, B, C）转换为列名，内部字典作为单元格值。
2. 循环遍历这些列：
   • .select(pl.col(col_name).alias("cluster_data")) 选取当前列并重命名为 cluster_data。
   • .unnest("cluster_data") 将 cluster_data 列中的嵌套字典展开成新的列（X, Y）。
   • .unpivot(index_columns=[], variable_name='cluster', value_name='cluster_value') 是关键一步，它将展开后的 X, Y 等列转换为行，cluster 列存储原列名（X或Y），cluster_value 存储对应的值。index_columns=[] 表示所有列都参与unpivot。
   • .with_columns(cliente=pl.lit(col_name)) 添加 cliente 列，其值为当前循环的顶层字典键。
3. pl.concat(df_nested_parts).collect() 将所有扁平化后的部分DataFrame合并成一个完整的DataFrame。

步骤二：使用 join 进行过滤

现在，我们有了主DataFrame df_x 和扁平化的字典DataFrame df_nested。我们可以通过在 cliente 和 cluster 列上进行内连接（join），然后基于连接结果进行过滤。

# 使用 join 进行过滤
filtered_df_join = (
    df_x
    .join(df_nested, on=['cliente', 'cluster'], how='inner') # 内连接，只保留匹配项
    .filter(pl.col('score') == pl.col('cluster_value')) # 过滤条件
    .select(df_x.columns) # 只保留原始 df_x 的列
)

print("\n使用 join 过滤结果:")
print(filtered_df_join)

解释：

1. df_x.join(df_nested, on=['cliente', 'cluster'], how='inner') 将 df_x 与 df_nested 基于 cliente 和 cluster 两列进行内连接。这意味着只有在两张表中 cliente 和 cluster 值都匹配的行才会被保留。
2. filter(pl.col('score') == pl.col('cluster_value')) 过滤连接后的结果，只保留 score 列与 cluster_value 列（来自扁平化字典）相等。
3. .select(df_x.columns) 这一步是可选的，用于确保最终输出的DataFrame只包含 df_x 的原始列，去除 join 操作可能引入的额外列（如 cluster_value）。

总结与建议

在Polars中利用列值作为字典键进行数据过滤时，直接使用pl.col()表达式会导致类型错误。我们有两种主要解决方案：

1. map_elements 方法： 适用于逻辑复杂、涉及少量数据或对性能要求不高的场景。它提供了直接的Python函数集成能力，但会牺牲部分Polars的性能优势。
2. 扁平化字典并 join 方法： 这是处理此类问题的推荐方法，尤其适用于大型数据集和对性能有严格要求的场景。它将Python字典查找转换为Polars的DataFrame操作，充分利用了Polars的向量化、并行化和查询优化能力，从而实现更高的效率和更好的可扩展性。

在实际开发中，应优先考虑将外部查找数据转换为Polars DataFrame，并通过连接操作进行数据关联，以最大限度地发挥Polars的性能潜力。

以上就是Polars中利用列值作为字典键进行数据过滤的策略与实践的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！