Pandas 與 PySpark 強強聯手，功能與速度齊飛！

使用Python做資料處理的資料科學家或資料從業者，對資料科學包pandas並不陌生，也不乏像雲朵君一樣的pandas重度使用者，專案開始寫的第一行程式碼，大多是 import pandas as pd。 pandas做資料處理可以說是yyds！而他的缺點也是非常明顯，pandas 只能單機處理，它不能跟著資料量線性伸縮。例如，如果 pandas 試圖讀取的資料集大於一台機器的可用內存，則會因記憶體不足而失敗。

另外 pandas 在處理大型資料方面非常慢，雖然有像Dask 或 Vaex 等其他函式庫來優化提升資料處理速度，但在大資料處理神之框架Spark面前，也是小菜一碟。

幸運的是，在新的Spark 3.2 版本中，出現了一個新的Pandas API，將pandas大部分功能都整合到PySpark中，使用pandas的接口，就能使用Spark，因為Spark 上的Pandas API 在後台使用Spark，這樣就能達到強強聯手的效果，可以說是非常強大，非常方便。

這一切都始於 2019 年 Spark AI 高峰會。 Koalas 是一個開源項目，可以在 Spark 之上使用 Pandas。一開始，它只涵蓋了 Pandas 的一小部分功能，但後來逐漸壯大起來。現在，在新的 Spark 3.2 版本中，Koalas 已合併到 PySpark。

Spark 現在整合了 Pandas API，因此可以在 Spark 上執行 Pandas。只需要更改一行程式碼：

import pyspark.pandas as ps

由此我們可以獲得諸多的優勢：

• 如果我們熟悉使用Python 和Pandas，但不熟悉Spark，可以省略了需複雜的學習過程而立即使用PySpark。
• 可以為所有內容使用一個程式碼庫：無論是小數據和大數據，還是單機和分散式機器。
• 可以在Spark分散式框架上，更快地運行 Pandas 程式碼。

最後一點尤其值得注意。

一方面，可以將分散式計算套用到在 Pandas 中的程式碼。且借助 Spark 引擎，程式碼即使在單一機器上也會更快！下圖展示了在一台機器（具有 96 個 vCPU 和 384 GiBs 記憶體）上運行 Spark 和單獨呼叫 pandas 分析 130GB 的 CSV 資料集的效能比較。

多執行緒和 Spark SQL Catalyst Optimizer 都有助於最佳化效能。例如，Join count 操作在整個階段程式碼產生時快 4 倍：沒有程式碼產生時為 5.9 秒，程式碼產生時為 1.6 秒。

Spark 在鍊式運算（chaining operations）中具有特別顯著的優勢。 Catalyst 查詢最佳化器可以識別過濾器以明智地過濾資料並可以應用基於磁碟的連接（disk-based joins），而 Pandas 傾向於每一步將所有資料載入到記憶體中。

現在是不是迫不及待的想嘗試如何在 Spark 上使用 Pandas API 編寫一些程式碼？我們現在就開始吧！

在 Pandas / Pandas-on-Spark / Spark 之間切換

需要知道的第一件事是我們到底在使用什麼。使用 Pandas 時，使用類別pandas.core.frame.DataFrame。在 Spark 中使用 pandas API 時，使用pyspark.pandas.frame.DataFrame。雖然兩者相似，但不相同。主要區別在於前者在單機中，而後者是分散式的。

可以使用Pandas-on-Spark 建立一個Dataframe 並將其轉換為Pandas，反之亦然：

# import Pandas-on-Spark 
import pyspark.pandas as ps

# 使用 Pandas-on-Spark 创建一个 DataFrame 
ps_df = ps.DataFrame(range(10))

# 将 Pandas-on-Spark Dataframe 转换为 Pandas Dataframe 
pd_df = ps_df.to_pandas()

# 将 Pandas Dataframe 转换为 Pandas-on-Spark Dataframe 
ps_df = ps.from_pandas(pd_df)

注意，如果使用多台機器，則在將Pandas-on- Spark Dataframe 轉換為Pandas Dataframe 時，資料會從多台機器傳送到一台機器，反之亦然（可參閱PySpark 指南[1]）。

也可以將 Pandas-on-Spark Dataframe 轉換為 Spark DataFrame，反之亦然：

# 使用 Pandas-on-Spark 创建一个 DataFrame 
ps_df = ps.DataFrame(range(10))

# 将 Pandas-on-Spark Dataframe 转换为 Spark Dataframe 
spark_df = ps_df.to_spark()

# 将 Spark Dataframe 转换为 Pandas-on-Spark Dataframe 
ps_df_new = spark_df.to_pandas_on_spark()

資料類型如何改變？

在使用 Pandas-on-Spark 和 Pandas 時，資料型別基本上相同。將Pandas-on-Spark DataFrame 轉換為Spark DataFrame 時，資料類型會自動轉換為適當的類型（請參閱PySpark 指南[2]）

#下面的範例顯示了在轉換時如何將數據類型從PySpark DataFrame 轉換為pandas-on-Spark DataFrame。

>>> sdf = spark.createDataFrame([
... (1, Decimal(1.0), 1., 1., 1, 1, 1, datetime(2020, 10, 27), "1", True, datetime(2020, 10, 27)),
... ], 'tinyint tinyint, decimal decimal, float float, double double, integer integer, long long, short short, timestamp timestamp, string string, boolean boolean, date date')
>>> sdf

DataFrame[tinyint: tinyint, decimal: decimal(10,0),
float: float, double: double, integer: int,
long: bigint, short: smallint, timestamp: timestamp, 
string: string, boolean: boolean, date: date]

psdf = sdf.pandas_api()
psdf.dtypes

tinyintint8
decimalobject
float float32
doublefloat64
integer int32
longint64
short int16
timestampdatetime64[ns]
string object
booleanbool
date object
dtype: object

Pandas-on-Spark vs Spark 函數

在 Spark 中的 DataFrame 及其在 Pandas-on-Spark 中最常用的函數。請注意，Pandas-on-Spark 和 Pandas 在文法上的唯一區別是 import pyspark.pandas as ps 一行。

当你看完如下内容后，你会发现，即使您不熟悉 Spark，也可以通过 Pandas API 轻松使用。

导入库

# 运行Spark
from pyspark.sql import SparkSession
spark = SparkSession.builder 
.appName("Spark") 
.getOrCreate()
# 在Spark上运行Pandas
import pyspark.pandas as ps

读取数据

以 old dog iris 数据集为例。

# SPARK 
sdf = spark.read.options(inferSchema='True', 
header='True').csv('iris.csv')
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf = ps.read_csv('iris.csv')

选择

# SPARK 
sdf.select("sepal_length","sepal_width").show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf[["sepal_length","sepal_width"]].head()

删除列

# SPARK 
sdf.drop('sepal_length').show()# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.drop('sepal_length').head()

删除重复项

# SPARK 
sdf.dropDuplicates(["sepal_length","sepal_width"]).show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf[["sepal_length", "sepal_width"]].drop_duplicates()

筛选

# SPARK 
sdf.filter( (sdf.flower_type == "Iris-setosa") & (sdf.petal_length > 1.5) ).show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.loc[ (pdf.flower_type == "Iris-setosa") & (pdf.petal_length > 1.5) ].head()

计数

# SPARK 
sdf.filter(sdf.flower_type == "Iris-virginica").count()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.loc[pdf.flower_type == "Iris-virginica"].count()

唯一值

# SPARK 
sdf.select("flower_type").distinct().show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf["flower_type"].unique()

排序

# SPARK 
sdf.sort("sepal_length", "sepal_width").show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.sort_values(["sepal_length", "sepal_width"]).head()

分组

# SPARK 
sdf.groupBy("flower_type").count().show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.groupby("flower_type").count()

替换

# SPARK 
sdf.replace("Iris-setosa", "setosa").show()
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.replace("Iris-setosa", "setosa").head()

连接

#SPARK 
sdf.union(sdf)
# PANDAS-ON-SPARK 
pdf.append(pdf)

transform 和 apply 函数应用

有许多 API 允许用户针对 pandas-on-Spark DataFrame 应用函数，例如：

DataFrame.transform() 
DataFrame.apply()
DataFrame.pandas_on_spark.transform_batch()
DataFrame.pandas_on_spark.apply_batch()
Series.pandas_on_spark.transform_batch()

每个 API 都有不同的用途，并且在内部工作方式不同。

transform 和 apply

DataFrame.transform()和DataFrame.apply()之间的主要区别在于，前者需要返回相同长度的输入，而后者不需要。

# transform
psdf = ps.DataFrame({'a': [1,2,3], 'b':[4,5,6]})
def pandas_plus(pser):
return pser + 1# 应该总是返回与输入相同的长度。

psdf.transform(pandas_plus)

# apply
psdf = ps.DataFrame({'a': [1,2,3], 'b':[5,6,7]})
def pandas_plus(pser):
return pser[pser % 2 == 1]# 允许任意长度

psdf.apply(pandas_plus)

在这种情况下，每个函数采用一个 pandas Series，Spark 上的 pandas API 以分布式方式计算函数，如下所示。

在“列”轴的情况下，该函数将每一行作为一个熊猫系列。

psdf = ps.DataFrame({'a': [1,2,3], 'b':[4,5,6]})
def pandas_plus(pser):
return sum(pser)# 允许任意长度
psdf.apply(pandas_plus, axis='columns')

上面的示例将每一行的总和计算为pands Series

pandas_on_spark.transform_batch和pandas_on_spark.apply_batch

batch 后缀表示 pandas-on-Spark DataFrame 或 Series 中的每个块。API 对 pandas-on-Spark DataFrame 或 Series 进行切片，然后以 pandas DataFrame 或 Series 作为输入和输出应用给定函数。请参阅以下示例：

psdf = ps.DataFrame({'a': [1,2,3], 'b':[4,5,6]})
def pandas_plus(pdf):
return pdf + 1# 应该总是返回与输入相同的长度。

psdf.pandas_on_spark.transform_batch(pandas_plus)

psdf = ps.DataFrame({'a': [1,2,3], 'b':[4,5,6]})
def pandas_plus(pdf):
return pdf[pdf.a > 1]# 允许任意长度

psdf.pandas_on_spark.apply_batch(pandas_plus)

两个示例中的函数都将 pandas DataFrame 作为 pandas-on-Spark DataFrame 的一个块，并输出一个 pandas DataFrame。Spark 上的 Pandas API 将 pandas 数据帧组合为 pandas-on-Spark 数据帧。

在 Spark 上使用 pandas API的注意事项

避免shuffle

某些操作，例如sort_values在并行或分布式环境中比在单台机器上的内存中更难完成，因为它需要将数据发送到其他节点，并通过网络在多个节点之间交换数据。

避免在单个分区上计算

另一种常见情况是在单个分区上进行计算。目前， DataFrame.rank 等一些 API 使用 PySpark 的 Window 而不指定分区规范。这会将所有数据移动到单个机器中的单个分区中，并可能导致严重的性能下降。对于非常大的数据集，应避免使用此类 API。

不要使用重复的列名

不允许使用重复的列名，因为 Spark SQL 通常不允许这样做。Spark 上的 Pandas API 继承了这种行为。例如，见下文：

import pyspark.pandas as ps
psdf = ps.DataFrame({'a': [1, 2], 'b':[3, 4]})
psdf.columns = ["a", "a"]

Reference 'a' is ambiguous, could be: a, a.;

此外，强烈建议不要使用区分大小写的列名。Spark 上的 Pandas API 默认不允许它。

import pyspark.pandas as ps
psdf = ps.DataFrame({'a': [1, 2], 'A':[3, 4]})

Reference 'a' is ambiguous, could be: a, a.;

但可以在 Spark 配置spark.sql.caseSensitive中打开以启用它，但需要自己承担风险。

from pyspark.sql import SparkSession
builder = SparkSession.builder.appName("pandas-on-spark")
builder = builder.config("spark.sql.caseSensitive", "true")
builder.getOrCreate()

import pyspark.pandas as ps
psdf = ps.DataFrame({'a': [1, 2], 'A':[3, 4]})
psdf

aA
013
124

使用默认索引

pandas-on-Spark 用户面临的一个常见问题是默认索引导致性能下降。当索引未知时，Spark 上的 Pandas API 会附加一个默认索引，例如 Spark DataFrame 直接转换为 pandas-on-Spark DataFrame。

如果计划在生产中处理大数据，请通过将默认索引配置为distributed或distributed-sequence来使其确保为分布式。

有关配置默认索引的更多详细信息，请参阅默认索引类型[3]。

在 Spark 上使用 pandas API

尽管 Spark 上的 pandas API 具有大部分与 pandas 等效的 API，但仍有一些 API 尚未实现或明确不受支持。因此尽可能直接在 Spark 上使用 pandas API。

例如，Spark 上的 pandas API 没有实现__iter__()，阻止用户将所有数据从整个集群收集到客户端（驱动程序）端。不幸的是，许多外部 API，例如 min、max、sum 等 Python 的内置函数，都要求给定参数是可迭代的。对于 pandas，它开箱即用，如下所示：

>>> import pandas as pd
>>> max(pd.Series([1, 2, 3]))
3
>>> min(pd.Series([1, 2, 3]))
1
>>> sum(pd.Series([1, 2, 3]))
6

Pandas 数据集存在于单台机器中，自然可以在同一台机器内进行本地迭代。但是，pandas-on-Spark 数据集存在于多台机器上，并且它们是以分布式方式计算的。很难在本地迭代，很可能用户在不知情的情况下将整个数据收集到客户端。因此，最好坚持使用 pandas-on-Spark API。上面的例子可以转换如下：

>>> import pyspark.pandas as ps
>>> ps.Series([1, 2, 3]).max()
3
>>> ps.Series([1, 2, 3]).min()
1
>>> ps.Series([1, 2, 3]).sum()
6

pandas 用户的另一个常见模式可能是依赖列表推导式或生成器表达式。但是，它还假设数据集在引擎盖下是本地可迭代的。因此，它可以在 pandas 中无缝运行，如下所示：

import pandas as pd
data = []
countries = ['London', 'New York', 'Helsinki']
pser = pd.Series([20., 21., 12.], index=countries)
for temperature in pser:
 assert temperature > 0
 if temperature > 1000:
 temperature = None
 data.append(temperature ** 2)

pd.Series(data, index=countries)

London400.0
New York441.0
Helsinki144.0
dtype: float64

但是，对于 Spark 上的 pandas API，它的工作原理与上述相同。上面的示例也可以更改为直接使用 pandas-on-Spark API，如下所示：

import pyspark.pandas as ps
import numpy as np
countries = ['London', 'New York', 'Helsinki']
psser = ps.Series([20., 21., 12.], index=countries)
def square(temperature) -> np.float64:
 assert temperature > 0
 if temperature > 1000:
 temperature = None
 return temperature ** 2

psser.apply(square)

London400.0
New York441.0
Helsinki144.0

减少对不同 DataFrame 的操作

Spark 上的 Pandas API 默认不允许对不同 DataFrame（或 Series）进行操作，以防止昂贵的操作。只要有可能，就应该避免这种操作。

写在最后

到目前为止，我们将能够在 Spark 上使用 Pandas。这将会导致Pandas 速度的大大提高，迁移到 Spark 时学习曲线的减少，以及单机计算和分布式计算在同一代码库中的合并。

参考资料

[1]PySpark 指南: https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/user_guide/pandas_on_spark/pandas_pyspark.html

[2]PySpark 指南: https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/user_guide/pandas_on_spark/types.html

[3]默认索引类型: https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/user_guide/pandas_on_spark/options.html#default-index-type

以上是Pandas 與 PySpark 強強聯手，功能與速度齊飛！的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！