Mars 开源月报（2020.3）-阿里云开发者社区

本月，Mars 发布了 0.4.0b1 ，0.4.0b2 和 0.3.2 以及 0.3.3，点击链接查看详细的 Release Notes。本月两次发布版本是特殊情况，0.4.0b2 修复了 0.4.0b1 中比较紧急的问题。

Mars 项目发布周期

这里先简述下 Mars 的版本发布周期。Mars 以一个月为发布周期，采用双版本发布策略，一般会同时发布 Pre-release 版本和正式版。Pre-release 版本里会包含更多激进的功能或改动，可能会不稳定，而开发中我们认为稳定的功能或增强会被同步到正式版里。

查看 Github 项目的 milestones 可以看到最新的 Pre-release 和正式版本。

查看 Github Projects 页面可以看到归类的 issues 和 PRs。

v0.4 Release 是我们按版本归档的进行中的 issues 和 PRs。其他则是按模块划分。

新版本功能 Highlight

新版本我们花了大量时间来完善 DataFrame API，经过这个版本的努力，pandas 中的一些常见的接口都得到了支持。

更完善的聚合和分组聚合

#1030 让 Groupby.aggregate 支持传入多个聚合函数。
#1054 支持了 DataFrame.aggregate 和 Series.aggregate。
#1019 和 #1069 支持了 cummax 等累积计算。

举个例子，在 pandas 中我们可以对 movielens 的数据执行如下操作：

In [1]: import pandas as pd                                                     

In [2]: %%time 
   ...: df = pd.read_csv('Downloads/ml-20m/ratings.csv') 
   ...: df.groupby('movieId').agg({'rating': ['max', 'min', 'mean', 'std']}) 
   ...:  
   ...:                                                                         
CPU times: user 5.41 s, sys: 1.28 s, total: 6.7 s
Wall time: 4.3 s
Out[2]: 
        rating                         
           max  min      mean       std
movieId                                
1          5.0  0.5  3.921240  0.889012
2          5.0  0.5  3.211977  0.951150
3          5.0  0.5  3.151040  1.006642
4          5.0  0.5  2.861393  1.095702
5          5.0  0.5  3.064592  0.982140
...        ...  ...       ...       ...
131254     4.0  4.0  4.000000       NaN
131256     4.0  4.0  4.000000       NaN
131258     2.5  2.5  2.500000       NaN
131260     3.0  3.0  3.000000       NaN
131262     4.0  4.0  4.000000       NaN

[26744 rows x 4 columns]

我们根据电影的 ID 进行聚合，求用户评价的最大、最小、平均值以及标准差。

使用 Mars 则可以：

In [1]: import mars.dataframe as md                                             

In [2]: %%time 
   ...: df = md.read_csv('Downloads/ml-20m/ratings.csv') 
   ...: df.groupby('movieId').agg({'rating': ['max', 'min', 'mean', 'std']}).execute() 
   ...:  
   ...:                                                                         
CPU times: user 5.81 s, sys: 6.9 s, total: 12.7 s
Wall time: 1.54 s
Out[2]: 
        rating                         
           max  min      mean       std
movieId                                
1          5.0  0.5  3.921240  0.889012
2          5.0  0.5  3.211977  0.951150
3          5.0  0.5  3.151040  1.006642
4          5.0  0.5  2.861393  1.095702
5          5.0  0.5  3.064592  0.982140
...        ...  ...       ...       ...
131254     4.0  4.0  4.000000       NaN
131256     4.0  4.0  4.000000       NaN
131258     2.5  2.5  2.500000       NaN
131260     3.0  3.0  3.000000       NaN
131262     4.0  4.0  4.000000       NaN

[26744 rows x 4 columns]

代码几乎一致，除了 Mars 需要通过 execute() 触发执行。

ratings.csv 有 500M+，使用 Mars 在我的笔记本上运行就可以有数倍加速。当数据量更大的时候，使用 Mars 还可以有更好的加速效果，如果单机无法胜任，也可以使用 Mars 分布式用一致的代码加速执行。

排序

#1053 支持了 sort_index。
#1046 支持了 sort_values。

还是以 movielens 数据为例。

In [1]: import pandas as pd                                                                                               

In [2]: %%time 
   ...: ratings = pd.read_csv('Downloads/ml-20m/ratings.csv') 
   ...: movies = pd.read_csv('Downloads/ml-20m/movies.csv') 
   ...: movie_rating = ratings.groupby('movieId', as_index=False).agg({'rating': 'mean'}) 
   ...: result = movie_rating.merge(movies[['movieId', 'title']], on='movieId') 
   ...: result.sort_values(by='rating', ascending=False) 
   ...:  
   ...:                                                                                                                   
CPU times: user 5.17 s, sys: 1.13 s, total: 6.3 s
Wall time: 4.05 s
Out[2]: 
       movieId  rating                                  title
19152    95517     5.0      Barchester Chronicles, The (1982)
21842   105846     5.0                   Only Daughter (2013)
17703    89133     5.0                   Boys (Drenge) (1977)
21656   105187     5.0              Linotype: The Film (2012)
21658   105191     5.0                    Rocaterrania (2009)
...        ...     ...                                    ...
26465   129784     0.5            Xuxa in Crystal Moon (1990)
18534    92479     0.5         Kisses for My President (1964)
26475   129834     0.5  Tom and Jerry: The Lost Dragon (2014)
24207   115631     0.5             Alone for Christmas (2013)
25043   119909     0.5                  Sharpe's Eagle (1993)

[26744 rows x 3 columns]

主要目标是将数据集中的电影按平均分从高到低进行排列。

到 Mars 这边，代码还是几乎一致。

In [1]: import mars.dataframe as md                                                                                       

In [2]: %%time 
   ...: ratings = md.read_csv('Downloads/ml-20m/ratings.csv') 
   ...: movies = md.read_csv('Downloads/ml-20m/movies.csv') 
   ...: movie_rating = ratings.groupby('movieId', as_index=False).agg({'rating': 'mean'}) 
   ...: result = movie_rating.merge(movies[['movieId', 'title']], on='movieId') 
   ...: result.sort_values(by='rating', ascending=False).execute() 
   ...:  
   ...:                                                                                                                   
CPU times: user 4.97 s, sys: 6.01 s, total: 11 s
Wall time: 1.39 s
Out[2]: 
       movieId  rating                                  title
19152    95517     5.0      Barchester Chronicles, The (1982)
21842   105846     5.0                   Only Daughter (2013)
17703    89133     5.0                   Boys (Drenge) (1977)
21656   105187     5.0              Linotype: The Film (2012)
21658   105191     5.0                    Rocaterrania (2009)
...        ...     ...                                    ...
26465   129784     0.5            Xuxa in Crystal Moon (1990)
18534    92479     0.5         Kisses for My President (1964)
26475   129834     0.5  Tom and Jerry: The Lost Dragon (2014)
24207   115631     0.5             Alone for Christmas (2013)
25043   119909     0.5                  Sharpe's Eagle (1993)

[26744 rows x 3 columns]

Mars 的排序采用了并行正则采样排序算法，在我们的文章（链接）中已经做了介绍，这里不再赘述。

更完善的索引支持

Mars 在之前的版本中就支持了 iloc，现在我们也支持了其他的索引方法。

#1042 中支持了 loc。
#1101 中支持了 at 和 iat。
#1073 中支持了 md.date_range 方法。

通过 loc 的支持，使得基于索引的数据的查找更加方便。

In [1]: import mars.dataframe as md 
  
In [3]: import mars.tensor as mt

In [8]: df = md.DataFrame(mt.random.rand(10000, 10), index=md.date_range('2000-1-1', periods=10000))                      

In [9]: df.loc['2020-3-25'].execute()                                                                                     
Out[9]: 
0    0.372354
1    0.139235
2    0.511007
3    0.102200
4    0.908454
5    0.144455
6    0.290627
7    0.248334
8    0.912666
9    0.830526
Name: 2020-03-25 00:00:00, dtype: float64

自定义函数、字符串和时间处理

#1038 增加了 apply 的支持。
#1063 支持了 md.Series.str 和 md.Series.dt来处理字符串和时间列。

我们可以利用 apply 来计算每个城市（数据集）到杭州（东经120°12′，北纬30°16′）的距离。

In [1]: import numpy as np                                                                                                

In [2]: def haversine(lat1, lon1, lat2, lon2): 
   ...:     dlon = np.radians(lon2 - lon1) 
   ...:     dlat = np.radians(lat2 - lat1) 
   ...:     a = np.sin(dlat / 2) ** 2 + np.cos(np.radians(lat1)) * np.cos(np.radians(lat2)) * np.sin(dlon / 2) ** 2 
   ...:     c = 2 * np.arcsin(np.sqrt(a)) 
   ...:     r =  6371 
   ...:     return c * r 
   ...:                                                                                                                   

In [4]: import mars.dataframe as md                                                                                       

In [5]: df = md.read_csv('Downloads/world-cities-database/worldcitiespop.csv', chunk_bytes='16M', dtype={'Region': object}
   ...: )                                                                                                                 

In [6]: df.execute(fetch=False)                                                                                           

In [8]: df.apply(lambda r: haversine(r['Latitude'], r['Longitude'], 30.25, 120.17), result_type='reduce', axis=1).execute()                                                                                                                 
Out[8]: 
0          9789.135208
1          9788.270528
2          9788.270528
3          9788.270528
4          9789.307210
              ...     
248061    10899.720735
248062    11220.703197
248063    10912.645753
248064    11318.038981
248065    11141.080171
Length: 3173958, dtype: float64

移动窗口函数

#1045 增加了 rolling 移动窗口的支持。

移动窗口函数在金融领域使用频率很高，rolling 是在一个固定长度（也可能是固定的时间间隔）上进行一些聚合计算。以下是一个例子。

In [1]: import pandas_datareader.data as web                                                                                                                      

In [2]: data = web.DataReader("^TWII", "yahoo", "2000-01-01","2020-03-25")                                                                                        

In [3]: import mars.dataframe as md                                                                                                                               

In [4]: df = md.DataFrame(data)                                                                                                                                   

In [5]: df.rolling(10, min_periods=1).mean().execute()                                                                                                            
Out[5]: 
                    High           Low          Open         Close     Volume     Adj Close
Date                                                                                       
2000-01-04   8803.610352   8642.500000   8644.910156   8756.549805        0.0   8756.517578
2000-01-05   8835.645020   8655.259766   8667.754883   8803.209961        0.0   8803.177734
2000-01-06   8898.426758   8714.809896   8745.356445   8842.816732        0.0   8842.784180
2000-01-07   8909.012451   8720.964844   8772.374756   8844.580078        0.0   8844.547607
2000-01-10   8952.413867   8755.129883   8806.285742   8896.183984        0.0   8896.151172
...                  ...           ...           ...           ...        ...           ...
2020-03-19  10423.317090  10083.132910  10370.730078  10180.533887  4149640.0  10180.533887
2020-03-20  10202.623047   9833.786914  10105.280078   9971.761914  4366130.0   9971.761914
2020-03-23   9983.399023   9611.036914   9885.659082   9763.000977  3990040.0   9763.000977
2020-03-24   9821.716016   9436.392969   9703.275098   9591.208984  3927690.0   9591.208984
2020-03-25   9685.129980   9290.444922   9543.636035   9466.308984  4003760.0   9466.308984

[4974 rows x 6 columns]