加速 python 的 struct.unpack

Question

我正在尝试加快我的脚本速度。它基本上读取带有 Velodyne 的 Lidar HDL-32 信息的 pcap 文件，并允许我获取 X、Y、Z 和强度值。我已经使用python -m cProfile ./spTestPcapToLas.py 分析了我的脚本，它在我的readDataPacket() 函数调用中花费的时间最多。在一个小型测试（80 MB 文件）中，解包部分大约需要 56% 的执行时间。

我这样调用readDataPacket函数（chunk指的是pcap文件）：

packets = []
for packet in chunk:
    memoryView = memoryview(packet.raw())
    udpDestinationPort = unpack('!h', memoryView[36:38].tobytes())[0]

    if udpDestinationPort == 2368:
        packets += readDataPacket(memoryView)

readDataPacket() 函数本身是这样定义的：

def readDataPacket(memoryView):
    firingData = memoryView[42:]    
    firingDataStartingByte = 0    
    laserBlock = []

    for i in xrange(firingBlocks):
        rotational = unpack('<H', firingData[firingDataStartingByte+2:firingDataStartingByte+4])[0]        
        startingByte = firingDataStartingByte+4
        laser = []
        for j in xrange(lasers):   
            distanceInformation = unpack('<H', firingData[startingByte:(startingByte + 2)])[0] * 0.002
            intensity = unpack('<B', firingData[(startingByte + 2)])[0]   
            laser.append([distanceInformation, intensity])
            startingByte += 3
        firingDataStartingByte += 100
        laserBlock.append([rotational, laser])

    return laserBlock

关于如何加快流程的任何想法？顺便说一句，我使用 numpy 进行 X、Y、Z、强度计算。

Answer 1

Numpy 让您可以非常快速地做到这一点。在这种情况下，我认为最简单的方法是直接使用ndarray 构造函数：

import numpy as np

def with_numpy(buffer):
    # Construct ndarray with: shape, dtype, buffer, offset, strides.
    rotational = np.ndarray((firingBlocks,), '<H', buffer, 42+2, (100,))
    distance = np.ndarray((firingBlocks,lasers), '<H', buffer, 42+4, (100,3))
    intensity = np.ndarray((firingBlocks,lasers), '<B', buffer, 42+6, (100,3))
    return rotational, distance*0.002, intensity

这将返回单独的数组而不是嵌套列表，这应该更容易进一步处理。作为输入，它需要一个 buffer 对象（在 Python 2 中）或任何暴露缓冲区接口的东西。不幸的是，这取决于您的 Python 版本 (2/3) 您可以使用哪些对象。但是这个方法很快：

import numpy as np

firingBlocks = 10**4
lasers = 32
packet_raw = np.random.bytes(42 + firingBlocks*100)

%timeit readDataPacket(memoryview(packet_raw))
# 1 loop, best of 3: 807 ms per loop
%timeit with_numpy(packet_raw)
# 100 loops, best of 3: 10.8 ms per loop

Answer 2

提前编译Struct，以避免使用模块级方法的 Python 级包装代码。在循环之外做，所以建设成本不会重复支付。

unpack_ushort = struct.Struct('<H').unpack
unpack_ushort_byte = struct.Struct('<HB').unpack

Struct 方法本身是在 CPython 中用 C 语言实现的（在解析格式字符串后，模块级方法最终会委托给相同的工作），因此构建一次 Struct 并存储绑定方法可以节省非微不足道的工作量，尤其是在解包少量值时。

您还可以通过将多个值解包在一起来节省一些工作，而不是一次一个：

distanceInformation, intensity = unpack_ushort_byte(firingData[startingByte:startingByte + 3])
distanceInformation *= 0.002

作为Dan notes，您可以使用iter_unpack 进一步改进这一点，这将进一步减少字节码执行量和小切片操作。

Answer 3

对于您的具体情况，如果您可以将循环放入 numpy 调用中，那将是最快的。

话虽如此，对于struct.unpack 部分——如果您的数据恰好是本机字节顺序，您可以使用memoryview.cast。对于 short 的例子，它比简单的 struct.unpack 快​​大约 3 倍，而没有任何逻辑变化。

In [20]: st = struct.Struct("<H")

In [21]: %timeit struct.unpack("<H", buf[20:22])
1.45 µs ± 26.5 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000000 loops each)

In [22]: %timeit st.unpack(buf[20:22])
778 ns ± 10.8 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000000 loops each)

In [23]: %timeit buf.cast("H")[0]
447 ns ± 4.16 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 1000000 loops each)

Answer 4

您可以在一次调用中将原始 distanceInformation 和 intensity 值解包在一起。特别是因为您只是将它们放在一个列表中：这就是 unpack() 在解包多个值时所做的。在您的情况下，您需要将distanceInformation 与0.002 相乘，但是您可以将其留到以后来节省时间，因为您可以使用iter_unpack() 在一次调用中解析整个原始对列表。该函数为您提供了一个生成器，可以使用itertools.islice() 对其进行切片，然后变成一个列表。像这样的：

laser_iter = struct.iter_unpack('<HB', firingData[firingDataStartingByte + 4])
laser = [[d * 0.002, i] for d, i in itertools.islice(laser_iter, lasers)]

不幸的是，这有点难以阅读，因此您可能想找到一种方法将其分散到更多代码行中，使用更具描述性的变量名称，或者在您忘记为什么编写此代码时添加注释以备将来使用…