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pandas 如何在 rolling().apply() 中使用 numba jit 加速

舞姬之光

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发布时间:2026-01-29 14:01:37

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来源于php中文网

原创

@njit函数不能直接用于rolling().apply(),因其不支持pandas.Series输入;正确做法是设raw=True使窗口传入ndarray,再用@njit处理一维数组并返回标量。

pandas 如何在 rolling().apply() 中使用 numba jit 加速

为什么 rolling().apply() 不能直接用 @njit

因为 pandasrolling().apply() 要求传入函数能接收一个 Seriesndarray(取决于 raw 参数),而 numba@njit 编译后函数默认不支持 pandas.Series —— 它只认纯 numpy.ndarray,且要求类型在编译时可推断。直接把 @njit 函数塞进 apply() 会报类似 TypingError: Failed in nopython mode pipeline... cannot determine Numba type of 的错误。

正确做法:设 raw=True + 用 @njit 处理 ndarray

关键点是让 rolling 把窗口数据以 numpy.ndarray 形式传给你的函数,而不是 Series。这靠设置 raw=True 实现。此时传入函数的参数就是一维 ndarraynumba 可以顺利编译和运行。

  • raw=True 是必须的,否则传进来的是 Series@njit 直接拒收
  • 函数签名必须只接受一个 ndarray,返回标量(如 float64);不能有可选参数、不能调用 pandas 方法
  • 如果窗口含 NaNraw=True 下仍会传入 nan 值,需在 @njit 函数内显式处理(比如用 np.isnan() 判断)
  • 示例:计算滚动窗口中位数(np.mediannumba 中不可用,得手写)
@njit
def rolling_median(arr):
    n = len(arr)
    if n == 0:
        return np.nan
    # 简单排序取中位(仅作示意;生产环境建议用 partial sort)
    temp = arr.copy()
    for i in range(n):
        for j in range(i + 1, n):
            if temp[i] > temp[j]:
                temp[i], temp[j] = temp[j], temp[i]
    if n % 2 == 1:
        return temp[n // 2]
    else:
        return (temp[n // 2 - 1] + temp[n // 2]) / 2.0

使用方式

s = pd.Series([1.0, 3.0, 2.0, 5.0, 4.0]) result = s.rolling(3).apply(rolling_median, raw=True)

性能对比与注意事项

加速效果取决于函数复杂度。对简单操作(如 np.sum),用 @njit 反而可能更慢(启动开销+小数组无优势);但对自定义逻辑(如条件聚合、分位数、迭代计算),提速常达 2–10 倍。不过要注意:

  • raw=True 会禁用 rolling 内置的 min_periods 对齐逻辑:若窗口内有效值不足,apply 仍会传入含 NaN 的数组,你得自己检查有效长度
  • @njit 不支持 axis 参数或高维数组;rolling 在 DataFrame 上使用时,需逐列处理或改用 apply(axis=1) + raw=True,但后者传入的是行向量(1D),不是二维切片
  • 调试困难:@njit 报错信息晦涩,建议先用纯 Python 版本验证逻辑,再加装饰器

替代方案:用 numba 手写滚动循环(更可控)

rolling().apply(raw=True) 无法满足需求(比如要跳过 NaN、动态窗口、或需要索引信息),更稳的方式是绕过 pandas 的 rolling,直接用 numba 写一个带循环的函数,输入整个数组,输出结果数组。这样完全掌控内存布局、缺失值策略和边界行为。

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例如实现等价于 s.rolling(3).mean() 的 jit 版本:

@njit
def rolling_mean_jit(arr, window):
    n = len(arr)
    out = np.full(n, np.nan)
    for i in range(window - 1, n):
        window_arr = arr[i - window + 1:i + 1]
        # 过滤 NaN(numba 支持 np.nansum / np.nanmean 从 0.58+,但旧版需手动)
        total, count = 0.0, 0
        for j in range(window):
            if not np.isnan(window_arr[j]):
                total += window_arr[j]
                count += 1
        if count > 0:
            out[i] = total / count
    return out

调用

result = rolling_mean_jit(s.to_numpy(), 3)

这种写法失去 pandas 的自动对齐和日期索引保留能力,但换来最大灵活性和可预测性能。真正高频、长序列、定制逻辑强的场景,这是更可靠的选择。

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