
本文深入探讨了pandas dataframe在通过循环或重复赋值创建大量新列时,可能遇到的“dataframe高度碎片化”性能警告。该警告通常指示了低效的内存操作和性能瓶颈。文章将详细解释警告产生的原因,并提供一个高效的解决方案,即利用`pd.concat`一次性创建并合并所有新列,从而显著提升性能并避免不必要的内存重分配,确保数据处理的流畅性。
理解Pandas DataFrame高度碎片化警告
在使用Pandas处理大量数据时,如果需要从现有列派生出大量新列,并采用逐个赋值的方式,可能会遇到PerformanceWarning: DataFrame is highly fragmented的警告。这个警告提示DataFrame的内存布局变得高度碎片化,通常是由于频繁调用frame.insert操作导致的,这会严重影响性能。
警告产生的原因
当您通过 df['new_col'] = ... 这种语法为DataFrame添加新列时,Pandas在底层可能会执行frame.insert操作。如果DataFrame已经很大,并且您反复执行此操作来添加数百甚至上千个新列,每次添加新列都可能导致DataFrame在内存中重新分配空间,并将现有数据复制到新的内存位置。这种频繁的内存重分配和数据复制是导致性能下降和“高度碎片化”警告的主要原因。尤其是在处理具有百万行、需要拆分为数百个子列的场景中,这个问题会尤为突出。
考虑以下一个典型的触发场景:
import pandas as pd
import numpy as np
import string
# 模拟一个具有100万行和一列长字符串的DataFrame
np.random.seed(0)
df = pd.DataFrame({
"long_string": ["".join(np.random.choice(
[*string.printable[:62]], size=5000)) for _ in range(10000)]
})
def parse_long_string_fragmented(df):
# 假设需要从'long_string'中解析出972个子字符串
# 这是一个简化示例,实际可能需要更多列
for i in range(1, 10): # 仅演示少量列,避免示例过长
start = (i - 1) * 2
end = i * 2
df[f'a{i:03d}'] = df['long_string'].str[start:end]
# 如果循环次数足够多(例如972次),将触发PerformanceWarning
return df
# 调用函数,如果列数足够多,将看到警告
# out_fragmented = parse_long_string_fragmented(df.copy())上述代码中,通过循环逐一创建新列,每次循环都会修改原DataFrame的结构,从而可能触发性能警告。
解决方案:使用 pd.concat 高效创建多列
解决DataFrame高度碎片化问题的核心思想是:避免对原始DataFrame进行多次修改,而是将所有新列一次性创建,然后一次性合并到原始DataFrame中。pd.concat是实现这一目标的高效工具。
核心策略
- 定义切片规则: 将所有需要创建的列及其对应的字符串切片规则存储在一个映射(如字典)中。
- 批量生成新列: 使用字典推导式(dictionary comprehension)和df.str.slice方法,为每个切片规则生成一个Pandas Series。
- 合并新列: 将这些Series作为字典的值传递给pd.concat(axis=1),一次性创建一个包含所有新列的新DataFrame。
- 连接到原DataFrame: 使用df.join()方法将新生成的DataFrame连接到原始DataFrame上。
示例代码
以下是使用pd.concat解决上述问题的具体实现:
import pandas as pd
import numpy as np
import string
# 1. 准备示例数据
np.random.seed(0)
df = pd.DataFrame({
"long_string": ["".join(np.random.choice(
[*string.printable[:62]], size=5000)) for _ in range(10000)]
})
# 2. 定义所有列的切片规则
# 假设我们有972个切片规则,这里用字典来存储
# 键为新列名,值为(起始索引, 结束索引)
slices_mapper = {f"a{i+1:03d}": (i*2, (i+1)*2) for i in range(972)}
# 对于最后一个切片,如果需要到字符串末尾,结束索引可以设为None
# 例如,如果最后一个切片是'a972',从4994开始到末尾
slices_mapper['a972'] = (4994, None) # 覆盖之前的定义,确保最后一个切片正确
def parse_long_string_efficient(df, mapper):
# 3. 批量生成所有新列
# 使用字典推导式为每个切片规则生成一个Series
# 然后用pd.concat(axis=1)将这些Series合并成一个新DataFrame
new_cols_df = pd.concat(
{
col_name: df["long_string"].str[start_idx:end_idx]
for col_name, (start_idx, end_idx) in mapper.items()
},
axis=1 # 沿列方向合并
)
# 4. 将新生成的DataFrame连接到原始DataFrame
# df.join() 是一个高效的连接操作,因为它默认基于索引进行连接
return df.join(new_cols_df)
# 调用高效的解析函数
output_df = parse_long_string_efficient(df.copy(), slices_mapper)
print(output_df.head())
print(f"\nDataFrame形状: {output_df.shape}")代码解释:
- slices_mapper 字典:清晰地定义了每个新列的名称及其对应的字符串切片范围。这使得代码更具可读性和可维护性。
- 字典推导式 { col_name: df["long_string"].str[start_idx:end_idx] for ... }:在内存中一次性计算出所有新列的Series数据。
- pd.concat(..., axis=1):将这些Series(作为字典的值)沿着列方向合并成一个新的DataFrame (new_cols_df)。这个操作是高度优化的,因为它知道要创建多少列,并能进行一次性内存分配。
- df.join(new_cols_df):将包含所有新列的new_cols_df一次性连接到原始DataFrame df上。join方法通常比多次的df['new_col'] = ...赋值更高效,因为它也是基于索引的合并操作。
性能优势
通过pd.concat和df.join的组合,我们避免了对原始DataFrame进行数百次的修改操作。Pandas只需要进行一次大的内存分配和数据复制(如果需要的话),而不是数百次小的、重复的内存操作。这显著减少了计算时间和内存开销,从而消除了“DataFrame高度碎片化”的性能警告。
总结与注意事项
- 核心原则: 在Pandas中创建大量新列时,尽量避免循环逐个赋值,转而采用批量操作。
- pd.concat的妙用: 它是解决DataFrame碎片化警告的强大工具,尤其适用于从现有列派生出多个新列的场景。
- df.assign(): 另一个创建新列的函数是df.assign(),它也可以用于批量创建新列,但通常更适用于基于函数或表达式生成少量新列的场景。对于本教程中这种通过切片生成大量列的情况,pd.concat结合字典推导式更为直接和高效。
- 理解警告: PerformanceWarning并非错误,但它强烈提示您的代码存在性能瓶颈。忽视这些警告可能导致在处理大规模数据集时程序运行缓慢,甚至内存溢出。
- 内存管理: 了解Pandas的底层内存管理机制有助于编写更高效的代码。DataFrame的内存布局对性能有显著影响。
通过采纳本文介绍的pd.concat策略,您可以有效规避Pandas DataFrame的高度碎片化问题,确保数据处理流程的流畅性和高效性。










