稀疏矩阵

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稀疏矩阵

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本文主要围绕scipy中的稀疏矩阵展开,也会介绍几种scipy之外的稀疏矩阵的存储方式。

dok_matrix

继承自dict,key是(row,col)构成的二元组,value是非0元素。

优点:

非常高效地添加、删除、查找元素 转换成coo_matrix很快

缺点:

继承了dict的缺点,即内存开销大 不能有重复的(row,col)

适用场景:

加载数据文件时使用dok_matrix快速构建稀疏矩阵,然后转换成其他形式的稀疏矩阵 coo_matrix

如上图,构造coo_matrix需要3个等长的数组,values数组存放矩阵中的非0元素,row indices存放非0元素的行坐标,column indices存放非0元素的列坐标。

优点:

容易构造 可以快速地转换成其他形式的稀疏矩阵 支持相同的(row,col)坐标上存放多个值

缺点:

构建完成后不允许再插入或删除元素 不能直接进行科学计算和切片操作

适用场景:

加载数据文件时使用coo_matrix快速构建稀疏矩阵,然后调用to_csr()、to_csc()、to_dense()把它转换成CSR或稠密矩阵 csr_matrix

csr_matrix同样由3个数组组成,values存储非0元素,column indices存储非0元素的列坐标,row offsets依次存储每行的首元素在values中的坐标,如果某行全是0则对应的row offsets值为-1(我猜的)。

优点:

高效地按行切片 快速地计算矩阵与向量的内积 高效地进行矩阵的算术运行,CSR + CSR、CSR * CSR等

缺点:

按列切片很慢(考虑CSC) 一旦构建完成后,再往里面添加或删除元素成本很高 csc_matrix

跟csr_matrix刚好反过来。

bsr_matrix

跟CSR/CSC很相近,尤其适用于稀疏矩阵中包含稠密子矩阵的情况。在解决矢量值有限元离散(vector-valued finite element discretizations)这类问题中BSR比CSR/CSC更高效。

dia_matrix

对角线存储法,按对角线方式存,列代表对角线,行代表行。省略全零的对角线。(从左下往右上开始:第一个对角线是零忽略,第二个对角线是5,6,第三个对角线是零忽略,第四个对角线是1,2,3,4,第五个对角线是7,8,9,第六第七个对角线忽略)。[3]

这里行对应行,所以5和6是分别在第三行第四行的,前面补上无效元素*。如果对角线中间有0,存的时候也需要补0。

适用场景:

如果原始矩阵就是一个对角性很好的矩阵那压缩率会非常高,比如下图,但是如果是随机的那效率会非常糟糕。

lil_matrix

内部结构是个二维数组:[[(col,value)]],第一行对应原矩阵的一行(可以快速地定位到行),行内按列编号排序好(通过折半查找可以快速地定位到列),同样只存储非0元素。

优点:

快速按行切片 高效地添加、删除、查找元素

缺点:

按列切片很慢(考虑CSC) 算术运算LIL+LIL很慢(考虑CSR或CSC) 矩阵和向量内和解很慢(考虑CSR或CSC)

适用场景:

加载数据文件时使用lil_matrix快速构建稀疏矩阵,然后调用to_csr()、to_csc()把它转换成CSR/CSC进行后续的矩阵运算 非0元素非常多时,考虑使用coo_matrix(我个人是这样理解的,lil_matrix用一个二维数组搞定,二维数组占用的是连续的内存空间,如果非0元素非常多就要申请一块非常大的连续的内存空间,这样性能很差。而coo_matrix毕竟是使用的3个一维数组,对连续内存空间的要求没那么高)  ELLPACK (ELL)

用两个和原始矩阵相同行数的矩阵来存:第一个矩阵存的是列号,第二个矩阵存的是数值,行号就不存了,用自身所在的行来表示;这两个矩阵每一行都是从头开始放,如果没有元素了就用个标志比如*结束。 上图中间矩阵有误,第三行应该是  0 2 3。

注:这样如果某一行很多元素,那么后面两个矩阵就会很胖,其他行结尾*很多,浪费。可以存成数组,比如上面两个矩阵就是:

0 1 * 1 2 * 0 2 3 * 1 3 *

1 7 * 2 8 * 5 3 9 * 6 4 *

但是这样要取一行就比较不方便了。

Hybrid (HYB) ELL + COO

为了解决ELL中提到的,如果某一行特别多,造成其他行的浪费,那么把这些多出来的元素(比如第三行的9,其他每一行最大都是2个元素)用COO单独存储。

skyline matrix storage

没看明白,自行wiki。

适用场景:

非常适合于稀疏矩阵的Cholesky分解或LU分解,这两种分解都是用来解线性方程组的。 行列双索引

这是自己实现的一种存储方式,分别按行和按列建立dict(dict中的key是行号或列号),这样按下标查找元素很快,但牺牲了空间。为了挽回空间上的牺牲,我们采用二进制来存储dict中的value。按下标查找元素时,根据行号定位到相应的value,value反序列化后转成dict,该dict的key是列号。

class DictMatrix(): '''用dict来实现稀疏矩阵 ''' def __init__(self, dft=0.0): self._data = {} self._dft = dft # “0元素”的值 self._nums = 0 # 稀疏矩阵中非0元素的个数 def __setitem__(self, index, value): try: i, j = index except: raise IndexError('invalid index') # 为了节省内存,我们把j, value打包成字二进制字符串 ik = ('i%d' % i) ib = struct.pack('if', j, value) # 格式化:i代替integer,f代表float。pack方法返回字符串 jk = ('j%d' % j) jb = struct.pack('if', i, value) try: self._data[ik] += ib # 拼接字符串 except: self._data[ik] = ib try: self._data[jk] += jb except: self._data[jk] = jb self._nums += 1 def __getitem__(self, index): try: i, j = index except: raise IndexError('invalid index') if (isinstance(i, int) and isinstance(j, int)): ik = ('i%d' % i) if self._data.has_key(ik): ret = dict(np.fromstring(self._data[ik], dtype='i4,f4')) return ret.get(j, self._dft) else: raise IndexError('invalid index') return self._dft def getRow(self, index): '''获取某一行的数据,返回dict ''' rect = dict() if isinstance(index, int): ik = ('i%d' % index) if self._data.has_key(ik): rect = dict(np.fromstring(self._data[ik], dtype='i4,f4')) return rect def getCol(self, index): '''获取某一列的数据,返回dict ''' rect = dict() if isinstance(index, int): jk = ('j%d' % index) if self._data.has_key(jk): rect = dict(np.fromstring(self._data[jk], dtype='i4,f4')) return rect def __len__(self): return self._nums def __iter__(self): pass def read(self, cache): '''cache是一个list,其中的每个元素都是个三元组(row,col,value)。 从磁盘中加载稀疏矩阵时,可以先把部分数据加载到cache中,再从cache放到DictMatrix中。 ''' tmpDict = {} for row, col, value in cache: if value != self._dft: # 确保添加的是“非0”元素 ik = ('i%d' % row) ib = struct.pack('if', col, value) jk = ('j%d' % col) jb = struct.pack('if', row, value) try: tmpDict[ik].write(ib) except: # 考虑到字符串拼接性能不太好,我们直接用StringIO的write()来做拼接 tmpDict[ik] = StringIO() tmpDict[ik].write(ib) try: tmpDict[jk].write(jb) except: tmpDict[jk] = StringIO() tmpDict[jk].write(jb) self._nums += 1 for k, v in tmpDict.items(): v.seek(0) s = v.read() try: self._data[k] += s except: self._data[k] = s if __name__ == '__main__': dtv = -1.0 # 默认值 matrix = DictMatrix(dtv) matrix[1, 9] = 58.0 matrix[1, 16] = 20.0 matrix[2, 16] = 9 assert matrix[1, 10] == dtv # 元素不存在,取默认值 for k, v in matrix.getRow(1).items(): print k, v for k, v in matrix.getCol(16).items(): print k, v assert matrix[1, 9] == 58.0 assert matrix[1, 16] == 20.0 assert matrix[2, 16] == 9 assert matrix[2, 9] == dtv print len(matrix) matrix.read([(3, 3, 15), (9, 3, 100.0)]) # 批量添加数据 assert matrix[1, 9] == 58.0 assert matrix[3, 3] == 15 assert matrix[9, 3] == 100.0 print len(matrix)

上面的代码中做二进制序列化时用到了struck.pack,来个小例子看下序列化能省多少内存。

# coding=utf-8 __author__ = "orisun" import struct from cStringIO import StringIO import numpy as np from collections import defaultdict loop1 = 10000 loop2 = 30 idx1 = 10 idx2 = 10 @profile def foo1(): position_link = defaultdict(list) # list中每个元素是(int,float)类型的tuple for i in xrange(loop1): for j in xrange(loop2): position_link[i].append((100000, 0.123435465)) print '1', position_link[idx1][idx2] @profile def foo2(): position_link = {} for i in xrange(loop1): tmp = StringIO() for j in xrange(loop2): # 使用StringIO的write()方法做二进制拼接,效率高一些 tmp.write(struct.pack('if', 100000, 0.123435465)) tmp.seek(0) position_link[i] = tmp.read() li = list(np.fromstring(position_link[idx1], dtype='i4,f4')) print '2', li[idx2] if __name__ == '__main__': '''foo2比foo1节省16.7%的内存,但是慢了61.7% 使用memory_profiler查看内存使用 使用line_profiler查看耗时 ''' foo1() foo2()

优点:

高效地动态添加元素 高效地按下标查找元素 高效地按行切片和按列切片

缺点:

不支持删除元素 内存占用略大 选择稀疏矩阵存储格式的经验 DIA和ELL格式在进行稀疏矩阵-矢量乘积(sparse matrix-vector products)时效率最高,所以它们是应用迭代法(如共轭梯度法)解稀疏线性系统最快的格式 COO格式常用于从文件中进行稀疏矩阵的读写,如matrix market即采用COO格式,而CSR格式常用于读入数据后进行稀疏矩阵计算


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