Python金融大数据分析——第8章 高性能的Pyhon 笔记

第8章 高性能的Python

许多高性能库可以用于加速Python代码的执行：
• Cython 用于合并Py由on和C语言静态编译范型。
• IPython.parallel 用于在本地或者在群集上并行执行代码／函数。
• numexpr 用于快速数值运算。
• multiprocessing Python内建的（本地）并行处理模块。
• Numba 用于为CPU动态编译Python代码。
• NumbaPro 用于为多核CPU和GPU动态编译Python代码。

定义一个方便的函数，可以系统性地比较在相同或者不同数据集上执行不同函数的性能：

def perf_comp_data(func_list, data_list, rep=3, number=1):
    """
    Function to compare the performance of different function.
    :param func_list: list with function names as strings
    :param data_list: list with data set names as strings
    :param rep: number of repetitions of the whole comparison
    :param number: number of executions for every function
    :return:
    """
    from timeit import repeat
    res_list = {}
    for name in enumerate(func_list):
        stmt = name[1] + '(' + data_list[name[0]] + ')'
        setup = "from __main__ import " + name[1] + ', ' + data_list[name[0]]
        results = repeat(stmt=stmt, setup=setup, repeat=rep, number=number)
        res_list[name[1]] = sum(results) / rep
    res_sort = sorted(res_list.items(), key=lambda item: item[1])
    for item in res_sort:
        rel = item[1] / res_sort[0][1]
        print('function:' + item[0][1] + ', av.item sec: %9.5f, ' % item[1] + 'relative: %6.1f' % rel)

8.1 Python范型与性能

在金融学中与其他科学及数据密集学科一样， 大数据集上的数值计算相当费时。举个例子， 我们想要在包含 50 万个数值的数组上求取某个复杂数学表达式的值。我们选择公式中的表达式，它的每次计算都会带来一定的计算负担。除此之外，该公式没有任何特殊的含义。
数学表达式示例

def perf_comp_data(func_list, data_list, rep=3, number=1):
    """
    Function to compare the performance of different function.
    :param func_list: list with function names as strings
    :param data_list: list with data set names as strings
    :param rep: number of repetitions of the whole comparison
    :param number: number of executions for every function
    :return:
    """
    from timeit import repeat
    res_list = {}
    for name in enumerate(func_list):
        stmt = name[1] + '(' + data_list[name[0]] + ')'
        setup = "from __main__ import " + name[1] + ', ' + data_list[name[0]]
        results = repeat(stmt=stmt, setup=setup, repeat=rep, number=number)
        res_list[name[1]] = sum(results) / rep
    res_sort = sorted(res_list.items(), key=lambda item: item[1])
    for item in res_sort:
        rel = item[1] / res_sort[0][1]
        print('function:' + item[0] + ', av.item sec: %9.5f, ' % item[1] + 'relative: %6.1f' % rel)


# 8.1 Python范型与性能

from math import *


# 很容易转换为一个Python函数
def f(x):
    return abs(cos(x)) ** 0.5 + sin(2 + 3 * x)

# 使用range函数，我们可以高效地生成一个包含 50 万个数值的列表对象
I = 500000
a_py = range(I)

# 包含显式循环的标准Python函数
def f1(a):
    res = []
    for x in a:
        res.append(f(x))
    return res

# 包含隐含循环的迭代子方法
def f2(a):
    return [f(x) for x in a]

# 包含隐含循环、使用eval的选代子方法
def f3(a):
    ex = 'abs(cos(x))**0.5+sin(2+3*x)'
    return [eval(ex) for x in a]

# Numy向量化实现
import numpy as np
a_np = np.arange(I)
def f4(a):
    return (np.abs(np.cos(a)) ** 0.5 + np.sin(2 + 3 * a))

# 专用库numexpr求数值表达式的值。 这个库内建了多线程执行支持
# numexpr单线程实现
import numexpr as ne
def f5(a):
    ex='abs(cos(a))**0.5+sin(2+3*a)'
    ne.set_num_threads(1)
    return ne.evaluate(ex)

# nwexpr多线程实现
def f6(a):
    ex = 'abs(cos(a))**0.5+sin(2+3*a)'
    ne.set_num_threads(16)
    return ne.evaluate(ex)

%%time
r1=f1(a_py)
r2=f2(a_py)
r3=f3(a_py)
r4=f4(a_np)
r5=f5(a_np)
r6=f6(a_np)
# Wall time: 35.1 s

# NumPy函数alJclose可以轻松地检查两个（类） ndarray对象是否包含相同数据
np.allclose(r1,r2)
# True
np.allclose(r1,r3)
# True
np.allclose(r1,r4)
# True
np.allclose(r1,r5)
# True
np.allclose(r1,r6)
# True

# 使用perf_comp_data函数
func_list=['f1','f2','f3','f4','f5','f6']
data_list=['a_py','a_py','a_py','a_np','a_np','a_np']
perf_comp_data(func_list,data_list)
# function:f6, av.item sec:   0.01623, relative:    1.0
# function:f5, av.item sec:   0.04650, relative:    2.9
# function:f4, av.item sec:   0.07293, relative:    4.5
# function:f2, av.item sec:   1.17137, relative:   72.2
# function:f1, av.item sec:   1.33291, relative:   82.1
# function:f3, av.item sec:  33.47790, relative: 2062.2

8.2 内存布局与性能

import numpy as np
np.zeros((3,3),dtype=np.float64,order='C')
# array([[ 0.,  0.,  0.],
#        [ 0.,  0.,  0.],
#        [ 0.,  0.,  0.]])

# 元素在内存中存储的顺序：C表示类似C（行优先）
c=np.array([[1.,1.,1.],
            [2.,2.,2.],
            [3.,3.,3.]],order='C')
# F表示类似Fortran （列优先）
f=np.array([[1.,1.,1.],
            [2.,2.,2.],
            [3.,3.,3.]],order='F')

x = np.random.standard_normal((3, 1500000))
C = np.array(x, order='C')
F = np.array(x, order='F')
x = 0.0

%timeit C.sum(axis=0)  # 10 loops, best of 3: 19.3 ms per loop
%timeit C.sum(axis=1)  # 100 loops, best of 3: 10.3 ms per loop
# 第一个轴上计算总和比第二个轴慢了将近一倍
%timeit C.std(axis=0)  # 10 loops, best of 3: 112 ms per loop
%timeit C.std(axis=1)  # 10 loops, best of 3: 57.6 ms per loop

%timeit F.sum(axis=0)  # 10 loops, best of 3: 70.7 ms per loop
%timeit F.sum(axis=1)  # 10 loops, best of 3: 84.2 ms per loop
# 两个轴的相对差值并不太大
%timeit F.std(axis=0)  # 1 loop, best of 3: 253 ms per loop
%timeit F.std(axis=1)  # 1 loop, best of 3: 227 ms per loop

# 与类似C的布局相比， 类似F这种布局的性能更差

8.3 并行计算

8.3.1 蒙特卡洛算法

期权的蒙特卡洛估值是导致高计算负担的金融算法之一。作为特例，我们选择Black-Scholes-Meron设置下的欧式看涨期权价值蒙特卡洛估值函数。在这种设置下，所要估值的期权标的遵循随机微分方程式（SDE），如下公式。St是时间t的标的价值；r是一个常数——无风险短期利率；σ是恒定瞬时波动率；Z是布朗运动。
Black-Scholes-Metron SDE

欧式看涨期权的蒙特卡洛估算函数

def bsm_mcs_valuation(strike):
    """
    Dynamic Black-Scholes-Merton Monte Carlo estimator for European calls.
    :param strike:
    :return:
    """
    import numpy as np
    S0=100.;T=1.0;r=0.05;vola=0.2
    M=50;I=2000
    dt=T/M
    rand=np.random.standard_normal((M+1,I))
    S=np.zeros((M+1,I));S[0]=S0
    for t in range(1,M+1):
        S[t]=S[t-1]*np.exp((r-0.5*vola**2)*dt+vola*np.sqrt(dt)*rand[t])
    value=(np.exp(-r*T)*np.sum(np.maximum(S[-1]-strike,0))/I)
    return value

8.3.2 顺序化计算

作为基准用例， 我们对不同行权价的100种期权进行估值。seq_value函数计算蒙特卡洛估算函数。返回包含行权价和估值结果的列表对象：

def seq_value(n):
    """
    Sequential option valuation
    :param n: number of option valuations/strikes
    :return:
    """
    strikes=np.linspace(80,120,n)
    option_values=[]
    for strike in strikes:
        option_values.append(bsm_mcs_valuation(strike))
    return strikes,option_values

n=100 # number of options to be valued
%time strikes,option_values_seq=seq_value(n)
# Wall time: 1.39 s

import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure(figsize=(8,4))
plt.plot(strikes,option_values_seq,'b')
plt.plot(strikes,option_values_seq,'r.')
plt.grid(True)
plt.xlabel('strikes')
plt.ylabel('European call option values')

8.4 多处理

有时候在本地并行执行代码是很有益的。 这就是 “标准” Pthon 模
块 multiprocessing 的用武之地：

import numpy as np
import multiprocessing as mp
import math
import matplotlib.pyplot as plt
def simulate_geometric_brownian_motion(p):
    M,I=p
    # time steps,paths
    S0=100;r=0.05;sigma=0.2;T=1.0
    # model parameters
    dt=T/M
    paths=np.zeros((M+1,I))
    paths[0]=S0
    for t in range(1,M+1):
        paths[t]=paths[t-1]*np.exp((r-0.5*sigma**2)*dt+sigma*math.sqrt(dt)*np.random.standard_normal(I))
    return paths

paths=simulate_geometric_brownian_motion((5,2))
paths
# array([[ 100.        ,  100.        ],
#        [  98.75585496,   86.36316092],
#        [ 109.5045796 ,   82.00664539],
#        [  92.85348223,   81.23649105],
#        [  73.79002067,   81.99661207],
#        [  67.4225339 ,   89.39928928]])

if __name__ == '__main__':
    I=10000  # number of paths
    M=100  # number of time steps
    t=100  # number of tasks/simulations
    # running on server with 8 cores/16 threads
    from time import time
    times=[]
    for w in range(1,17):
        t0=time()
        pool=mp.Pool(processes=w)
        # the pool of workers
        result = pool.map(simulate_geometric_brownian_motion,t*[(M,I),])
        # the mapping of the function to the list of parameter tuples
        times.append(time()-t0)

    plt.plot(range(1, 17), times)
    plt.plot(range(1, 17), times, 'ro')
    plt.grid(True)
    plt.xlabel('number of processes')
    plt.ylabel('time in seconds')
    plt.title('%d Monte Carlo simulations' % t)

性能和可用核心数量成正比。 不过， 超线程在本例中不能带来太多好处（甚至更糟）

简易的并行化
金融学中的许多问题可以应用简单的并行化技术， 例如， 在算法的不同实例之间没有共享数据时。Python的multiprocesing模块可以高效地利用现代硬件架构的能力， 一般不需要改变基本算法或者并行执行的Python函数．

8.5 动态编译

Numba (http://numba.pydata.org）是开源 、 NumPy 感知的优化Python 代码编译器。它使用 LLVM 编译器基础架构，将Python 字节代码编译专门用于 NumPy运行时和SciPy模块的机器代码。

8.5.1 介绍性示例

from math import cos,log
def f_py(I,J):
    res=0
    for i in range(I):
        for j in range(J):
            res+=int(cos(log(1)))
    return res

I,J=5000,5000
%time f_py(I,J)
# Wall time: 30 s
# 25000000

def f_np(I, J):
    a = np.ones((I, J), dtype=np.float64)
    return int(np.sum(np.cos(np.log(a)))), a

%time res, a = f_np(I, J)
# Wall time: 1.34 s

a.nbytes
# 200000000

import numba as nb
f_nb=nb.jit(f_py)

%time f_nb(I,J)
# Wall time: 741 ms
# 25000000

func_list=['f_py','f_np','f_nb']
data_list=3*['I,J']
perf_comp_data(func_list,data_list)

# function:f_nb, av.item sec:   0.00001, relative:    1.0
# function:f_np, av.item sec:   1.36470, relative: 156714.8
# function:f_py, av.item sec:  29.53817, relative: 3391993.0

速效方法
改善（数值算法）性能的许多方法都需要花费可观的精力。利用Python和Numba， 就有了需要最少精力的 一种方法一一般来说， 只需要导入境库和一行附加代码 ． 它不能用于所有类型算法，但是往往值得（简单地） 一试， 有时候确实能够快速取得效果。

8.5.2 二项式期权定价方法

前面使用蒙特卡洛模拟方法、 利用并行计算估计欧式看涨期权的价值。估算期权价值的另一种流行数值方法是二项式期权定价模型。 这种模型和Black-Scholes-Meron设置一样有风险资产（指数或者股票）以及无风险资产（债券）。 和蒙特卡洛方法一样，从当天到期权到期日的时间间隔被分为通常等距的子间隔Δt， 如果时间s的指数水平为Ss， 则 t = s+Δt 时的指数水平为St = Ss·m ， 其中m是从｛u， d } 中随机选取( )。r是 一个常数一一无风险利率。 风险中立的上涨概率为。

对该模型进行参数化：

# model & option parameters
S0=100.  # initial index level
T=1.  # call option maturity
r=0.05  # constant short rate
vola=0.20  # constant volatility factor of diffusion

# time parameters
M=1000 #time steps
dt=T/M # length of time interval
df= exp(-r*dt)  # discount factor per time interval

# binomial parameters
u=exp(vola*sqrt(dt))  # up-movement
d=1/u # down-movement
q=(exp(r*dt)-d)/(u-d) # martingale probability

欧式期权二项式算法的实现主要包含如下部分：
指数水平模拟
连步模拟指数水平。
内在价值计算
计算到期日和每个时间步的内在价值。
风险中性折算
逐步折算（预期）内在价值直到达到现值。

在Python中，这可能采取函数binomial_py中的形式。该面数使用NumPy ndarray对象作为基本数据结构， 并实现3个不同的嵌套循环，以实现上述的3个步骤：

from math import *
# model & option parameters
S0=100.  # initial index level
T=1.  # call option maturity
r=0.05  # constant short rate
vola=0.20  # constant volatility factor of diffusion

# time parameters
M=1000 #time steps
dt=T/M # length of time interval
df= exp(-r*dt)  # discount factor per time interval

# binomial parameters
u=exp(vola*sqrt(dt))  # up-movement
d=1/u # down-movement
q=(exp(r*dt)-d)/(u-d) # martingale probability

import numpy as np
def binomial_py(strike):
    """
    Binomial option pricing via looping
    :param strike:float
        strike price of the European call option
    :return:
    """
    # LOOP 1 - Index Levels
    S=np.zeros((M+1,M+1),dtype=np.float64)
    # index level array
    S[0,0]=S0
    z1=0
    for j in range(1,M+1,1):
        z1=z1+1
        for i in range(z1+1):
            S[i,j]=S[0,0]*(u**j)*(d**(i*2))

    # LOOP 2 - Inner Values
    iv = np.zeros((M+1,M+1),dtype=np.float64)
    # inner value array
    z2=0
    for j in range(0,M+1,1):
        for i in range(z2+1):
            iv[i,j]=max(S[i,j]-strike,0)
        z2=z2+1

    # LOOP 3 - Valuation
    pv = np.zeros((M+1,M+1),dtype=np.float64)
    # present value array
    pv[:,M]=iv[:,M] # initialize last time point
    z3=M+1
    for j in range(M-1,-1,-1):
        z3=z3-1
        for i in range(z3):
            pv[i,j]=(q*pv[i,j+1]+(1-q)*pv[i+1,j+1])*df
    return pv[0,0]

上函数使用前面指定的参数． 返回欧式看涨期权的现值：

 %time round(binomial_py(100),3)
# Wall time: 4.23 s
# 10.449

将这个结果与蒙特卡洛函数bsm_mcs_valuation返回的估算结果比较

%time round(bsm_mcs_valuation(100),3)
# Wall time: 15 ms
# 10.183

两个值很类似，它们只是“相似” 而不是相同。是因为蒙特卡洛估值和bsm_mcs_valuaton所实现的算法都不是很精确， 不同的随机数会导致（稍有）不同的估算结果， 对于健全的蒙特卡洛估算来说， 每次模拟使用2000Q条路径也可能略少一些（但是可以得到较高的估值速度）。 相比之下， 本例中的二项式期权估价使用 1000 个时间步已经相当精确，但是花费的时间也长得多。

可以尝试 NumPy 向量化技术，从二项式方法中得到同样精确、但是速度更快的结果。 binomial_np 函数初看有些神秘，但是， 当运行单独的构建步骤并检查结果， 后台（ NumPy ）发生的操作就显而易见了：

def binomial_np(strike):
    """
    Binomial option pricing with NumPy
    :param strike: float
        strike price of the European call option
    :return: 
    """
    # Index Levels with NumPy
    mu=np.array(M+1)
    mu=np.resize(mu,(M+1,M+1))
    md=np.transpose(mu)
    mu=u**(mu-md)
    S=S0*mu*md

    # Valuation Loop
    pv=np.maximum(S-strike,0)
    z=0
    for t in range(M-1,-1,-1): # backward iteration
        pv[0:M-z,t]=(q*pv[0:M-z,t+1]+(1-q)*pv[1:M-z+1,t+1])*df
        z+=1
    return pv[0,0]

下面我们简单地看看后台的情况。 为了简洁和易于理解， 只考虑 M = 4 的时间步。第一步如下：

# 第一步
M = 4  # four time steps only
mu = np.arange(M + 1)
mu
# array([0, 1, 2, 3, 4])

# 第二步
mu = np.resize(mu, (M + 1, M + 1))
mu
# array([[0, 1, 2, 3, 4],
#        [0, 1, 2, 3, 4],
#        [0, 1, 2, 3, 4],
#        [0, 1, 2, 3, 4],
#        [0, 1, 2, 3, 4]])

# 第三步
md = np.transpose(mu)
md
# array([[0, 0, 0, 0, 0],
#        [1, 1, 1, 1, 1],
#        [2, 2, 2, 2, 2],
#        [3, 3, 3, 3, 3],
#        [4, 4, 4, 4, 4]])


# 第四步
mu = u ** (mu - md)
mu.round(3)
# array([[ 1.   ,  1.006,  1.013,  1.019,  1.026],
#        [ 0.994,  1.   ,  1.006,  1.013,  1.019],
#        [ 0.987,  0.994,  1.   ,  1.006,  1.013],
#        [ 0.981,  0.987,  0.994,  1.   ,  1.006],
#        [ 0.975,  0.981,  0.987,  0.994,  1.   ]])


# 第五步
md = d ** md
md.round(3)
# array([[ 1.   ,  1.   ,  1.   ,  1.   ,  1.   ],
#        [ 0.994,  0.994,  0.994,  0.994,  0.994],
#        [ 0.987,  0.987,  0.987,  0.987,  0.987],
#        [ 0.981,  0.981,  0.981,  0.981,  0.981],
#        [ 0.975,  0.975,  0.975,  0.975,  0.975]])

# 最后将所有步骤聚合起来
S = S0 * mu * md
S.round(3)
# array([[ 100.   ,  100.634,  101.273,  101.915,  102.562],
#        [  98.743,   99.37 ,  100.   ,  100.634,  101.273],
#        [  97.502,   98.121,   98.743,   99.37 ,  100.   ],
#        [  96.276,   96.887,   97.502,   98.121,   98.743],
#        [  95.066,   95.669,   96.276,   96.887,   97.502]])

在ndarray对象S中，只有上三角矩阵是重要的。虽然这种方法进行的计算多于原则上的需要，但是这种方法和预计的一样，比严重依赖Python级别嵌套循环的第一个版本快得多：

M=1000 # reset number of time steps
%time round(binomial_np(100),3)
# Wall time: 1.03 s
# 0.0 这个结果不太对

Numba在金融算法中也是很重要

binomial_nb=nb.jit(binomial_py)
%time round(binomial_nb(100),3)
# Wall time: 1.58 s
# 10.449

我们还没有看出对NumPy向盘化版本有多少加速效果，因为第一次调用编译后的函数涉及一些开销。因此，使用 prf_comp_func函数应该更现实地揭示出不同实现的性能对比。显然，Numba编译版本确实明显快于NumPy版本：

func_list=['binomial_py','binomial_np','binomial_nb']
K=100
data_list=3*['K']
perf_comp_data(func_list,data_list)
# function:binomial_nb, av.item sec:   0.12641, relative:    1.0
# function:binomial_np, av.item sec:   0.96281, relative:    7.6
# function:binomial_py, av.item sec:   4.26450, relative:   33.7

我们可以得出如下结论：
效率：使用Nnmba只需要花费很少的额外精力。原始函数往往完全不需要改变；你所需要做的就是调用jlt函数。
加速：Numba往往带来执行速度的显著提高．不仅和纯Py曲。n相比是如此．即使对向量化的NumPy实现也有明显优势。
内存：使用Numba不需要初始化大型数组对象；编译器专门为手上的问题生成机器代码（和Numpy的 “通用 ” 函数相比）并维持和纯Python相同的内存效率。

8.6 用Cython进行静态编译

Numba的优势是对任意函数应用该方法毫不费力。但是，Numba只能为某些问题 “毫不费力 ” 地产生显著的性能改善。另一种方法更为灵活，但是也需要更多精力，这就是通过Cython的静态编译， Cython是Python和C语言的混血儿。从Python的角度看，需要注意的主要不同是静态类型声明（和 C语言相同）和一个单独的编译步骤（和任何编译语言相同）。

# 正常的Python代码：
def f_py(I, J):
    res = 0.  # we work on a float object
    for i in range(I):
        for j in range(J * I):
            res += 1
    return res

I,J=500,500
%time f_py(I,J)
# Wall time: 9 s
# Out[4]: 125000000.0

使用Cython静态类型声明的嵌套循环
创建一个名为nested_loop.pyx的文件

# Nested loop example with Cython
# nested_loop.pyx
def f_cy(int I,int J):
    cdef double res = 0
    # double float nuch slower than in or long
    for i in range(I):
        for j in range(J*I):
            res+=1
    return res

在这个简单的例子中不需要任何特殊的C模块 ，导人模块有一种简单的方法一一就是通过pyximport

import pyximport

pyximport.install()

# 直接从Cython模块中导人
import sys

sys.path.append('E:\python_for_finance\chapter08')
# path to the Cython script
# not needed if in same directory

from nested_loop import f_cy

# 如果报错： Unable to find vcvarsall.bat
# 是因为找不到vcvarsall.bat，这个问题件是在VS目录下的，
# 我的VS2015的目录是 E:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 14.0
# 但是里面没有这个文件。这时可以在VS中添加一个C++项目，VS会提醒安装新的软件包，继续安装就可以了
# 安装好后就可以搜到vcvarsall.bat了
# 然后添加环境变量
# VS90COMNTOOLS : E:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 14.0\VC

I, J = 500, 500
%time res = f_cy(I, J)
# Wall time: 131 ms
res
# 125000000.0

在IPython Notebook中工作时,使用Cython有一个更便利的方法：

%load_ext Cython
%%cython
def f_cy(int I,int J):
    cdef double res = 0
    # double float nuch slower than in or long
    for i in range(I):
        for j in range(J*I):
            res+=1
    return res

I, J = 500, 500
%time res = f_cy(I, J)
# Wall time: 131 ms 性能结果相同
res
# 125000000.0

看看Numba在这种情况下能起什么作用

import numba as nb
f_nb=nb.jit(f_py)

%time res=f_nb(I,J)
# Wall time: 947 ms
# 第一次调用函数时， 性能比 Cython 版本差（第一次调用 Numba 编译函数总是有某些开销）
%time res=f_nb(I,J)
# Wall time: 131 ms 再次调用，性能就相同了

8.7 在GPU上生成随机数

最后 一个主题是使用设备进行大规模的并行操作——也就是通用图形处理单元(GPGPU 或者简称 GPU ）。 要使用 Nvidia GPU ， 就必须安装 CUDA （统一计算设备架构， https://developer.nvidia..com ）。利用 Nvidia GPU 的简单方法之一是使用 NumbaPro,这个由 Contnuum Analytics 开发的高性能库为 GPU（或者多核 CPU ）动态编译 Python。
有一个金融领域可以从 GPU 的使用中得到很大的好处：蒙特卡洛模拟。 特别是（伪）随机数生成。