本章介绍分布式数据科学工具 Xorbits 。
1 Xorbits Data
Xorbits Data 是一个面向数据科学的分布式计算框架，功能类似于 Dask 和 Modin，用于加速 Pandas DataFrame 和 NumPy。Xorbits Data 通过切分大数据集并利用 Pandas 或 NumPy 执行操作。其底层采用了自主研发的 Actor 编程框架 Xoscar，不依赖于 Ray 或 Dask。
1.1 Xorbits 集群
在进行计算之前，Xorbits 需要在多节点环境中初始化集群。在单机环境中，可以直接使用 Xorbits.init()进行初始化。在集群环境中，可以按照以下步骤进行配置：首先启动一个管理进程（Supervisor），然后在各个计算节点上启动 Worker 进程。
# 先在管理节点启动 Supervisor
xorbits-supervisor -H <supervisor_ip> -p <supervisor_port> -w <web_port>
# 在每个计算节点启动 Worker
xorbits-worker -H <worker_ip> -p <worker_port> -s
<supervisor_ip>:<supervisor_port>其中，和为管理节点的 IP 和端口号，为仪表盘端口号，客户端也通过这个端口与集群连接。和为每个计算节点的 IP和端口号。启动Supervisor和 Worker后，在代码中使用 xorbits.init(":")连接到这个集群，计算任务就可以横向扩展到集群上。
1.2 API 兼容性
在 Pandas DataFrame 的兼容性方面，排序如下：Modin>Xorbits>Dask DataFrame；在性能方面，排序如下：Xorbits> Dask DataFrame>Modin。
Xorbits 也在多维度上对数据进行切分，并在切分过程中保留行标签和列标签。它提供了广泛的 Pandas API 兼容性，包括但不限于 iloc()和 median()函数。
import os
import sys
sys.path.append("..")
from utils import nyc_flights
from utils import nyc_taxi
taxi_path = nyc_taxi()
import xorbits
import xorbits.pandas as pd
df = pd.read_parquet(taxi_path, use_arrow_dtype=False)
df.iloc[3]运行结果如图所示。
df.dtypes运行结果如图所示。
df['trip_distance'].median()运行结果如图所示。
1.3 推迟执行
Xorbits 采用类似于 Dask 的计算图模型，任何计算都会先转换为计算图再执行；但与 Dask不同，Xorbits 不需要明确调用 compute()来触发计算，这种方式称为推迟（Deferred）执行。
Xorbits 在后台构建了计算图，但只有遇到 print()等需要将数据呈现给用户的操作时，Xorbits才会执行计算图。这种方式使得 Xorbits 与 Pandas 和 NumPy 的语义更加相似。如果需要手动触发计算，也可以通过 xorbits.run(df)实现。
以下面的数据可视化为例，gb_time 只是一个指向计算图的指针，并不是实际数据。但当Plotly 需要 gb_time 的结果时，Xorbits 会触发计算。
df['PU_dayofweek'] = df['tpep_pickup_datetime'].dt.dayofweek
df['PU_hour'] = df['tpep_pickup_datetime'].dt.hour
gb_time = df.groupby(by=['PU_dayofweek', 'PU_hour'],
as_index=False).agg(count=('PU_dayofweek', 'count'))
import plotly.express as px
import plotly.io as pio
pio.renderers.default = "notebook"
b = px.bar(
gb_time,
x='PU_hour',
y='count',
color='PU_dayofweek',
color_continuous_scale='sunset_r',
)
b.show()运行结果如图所示。
同样使用计算图，但 Xorbits 可以避免像 Dask DataFrame 那样关注计算图的细节，也不需要使用 repartition()。Xorbits 在构建和执行计算图时进行了内部优化。例如，当数据出现倾斜时，Xorbits 会自动优化计算图，避免计算图过大。
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本文摘自《Python数据科学加速:Dask、Ray、Xorbits、mpi4py》，获出版社和作者授权发布。