Python | 使用Pandas DataFrame时的内存泄漏问题及示例

Pandas是一个功能强大且广泛使用的Python开源数据分析和操作库。它提供了一个DataFrame对象，允许您以非常直观的方式存储和操作行和列中的表格数据。Pandas DataFrames是处理数据的强大工具，但如果不小心使用，它们也可能成为内存泄漏的来源。

当程序分配了要使用的内存，但在不再需要时未能正确释放该内存时，就会发生内存泄漏。这可能会导致程序随着时间的推移使用越来越多的内存，从而可能导致性能问题，甚至导致程序崩溃。内存泄漏可能很难识别和诊断，但为了确保程序有效和正确地运行，避免内存泄漏是很重要的。

相关概念

DataFrame：DataFrame是一种二维的表格数据结构，具有行和列，可以以非常直观的方式存储和操作数据。它是Pandas库中的核心数据类型，旨在处理结构化的表格数据。

内存泄漏：当程序分配了内存供使用，但在不再需要时未能正确释放该内存时，就会发生内存泄漏。这可能会导致程序随着时间的推移使用越来越多的内存，从而可能导致性能问题，甚至导致程序崩溃。

pandas.DataFrame.memory_usage（）：此方法返回DataFrame对象使用的内存量。它可用于监视程序的内存使用情况，并识别使用的内存超过预期的任何DataFrame。

gc.collect（）：这个函数来自Python gc（垃圾收集）模块，强制垃圾收集器运行并释放程序中所有未使用的内存。通过确保正确释放未使用的内存以供重用，可以使用它来防止内存泄漏。

malloc_trim（）：malloc_trim是C标准库中的一个函数，可用于将未使用的内存释放回操作系统。此函数在Python ctypes模块中可用，该模块允许您调用动态链接库/共享库中的函数。malloc_trim可以用作gc.collect函数的替代方法来释放未使用的内存。但是，与gc. collect相比，它有一些局限性和差异。

正确删除DataFrame对象：为了避免在使用Pandas DataFrame时发生内存泄漏，正确删除程序不再需要的任何DataFrame对象非常重要。你可以在Python中使用del关键字来删除DataFrame对象并释放它所使用的内存。

只将需要的数据加载到DataFrame中：为了避免内存泄漏，应该只将实际需要的数据加载到DataFrame中。您可以使用pandas.read_csv（）函数将数据从文件加载到DataFrame中，并指定要在DataFrame中包含的数据的列或行。这将防止未使用的数据在内存中累积并导致内存泄漏。

检测内存泄漏

为了保证有效的内存管理，Python程序必须检查内存泄漏。可以使用许多方法，包括内存分析和内存消耗监视。像memory_profiler和Pympler这样的工具可以用来发现内存使用趋势和潜在的泄漏。通过使用pandas.DataFrame.memory_usage（）方法监视Pandas DataFrame内存使用情况，可以检测到意外的内存增加。

为了避免在使用Pandas DataFrames时发生内存泄漏，您应该遵循以下步骤：

1. 使用del关键字显式删除不再需要的旧DataFrame对象。例如，如果您有一个名为df1的DataFrame，则可以使用以下代码删除它：del df1。
2. 使用gc.collect（）方法执行垃圾回收并释放未使用的内存。这在对大型DataFrame执行操作时尤其重要，因为内存使用量可能会很快变得非常大。
3. 使用df.info（）方法检查DataFrame的内存使用情况。这将使您给予DataFrame当前使用多少内存的感觉，并可以帮助您识别潜在的内存泄漏。

示例

以下是一些使用Pandas DataFrame时如何避免内存泄漏的示例：

示例1：

# Example 1
import pandas as pd
import gc

# Create a DataFrame
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [4, 5, 6]})

#Convert the data types of columns to save memory
df['A'] = df['A'].astype(int8)
df['B'] = df['B'].astype(int8)

# Check the memory usage of the DataFrame
df1.info()

# Perform some operations on the DataFrame
df1['C'] = df1['A'] + df1['B']

# Check the memory usage again
df1.info()

# Delete the old DataFrame
del df1

# Perform garbage collection
gc.collect()

输出

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   A       3 non-null      int8
 1   B       3 non-null      int8
dtypes: int64(2)
memory usage: 176.0 bytes

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 3 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   A       3 non-null      int8
 1   B       3 non-null      int8
 2   C       3 non-null      int8
dtypes: int64(3)
memory usage: 200.0 bytes

示例2：

# Example 2
import pandas as pd
import gc

# Create a DataFrame
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3], 'B': [4, 5, 6]})

# Check the memory usage of the DataFrame
df1.info()

# Create a new DataFrame by performing some operations on the old one
df2 = df1.groupby('A').sum()

# Check the memory usage of the new DataFrame
df2.info()

# Delete the old DataFrame
del df1

# Perform garbage collection
gc.collect()

输出

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   A       3 non-null      int64
 1   B       3 non-null      int64
dtypes: int64(2)
memory usage: 176.0 bytes

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
Int64Index: 3 entries, 1 to 3
Data columns (total 1 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   B       3 non-null      int64
dtypes: int64(1)
memory usage: 48.0 bytes

示例3：

# Example 3
import pandas as pd
import gc

# Create a DataFrame
df1 = pd.DataFrame({'A': [1, 2, 3],
					'B': [4, 5, 6]})

# Check the memory usage of the DataFrame
df1.info()

# Create a new DataFrame by 
# concatenating the old one with itself
df2 = pd.concat([df1, df1])

# Check the memory usage of the new DataFrame
df2.info()

# Delete the old DataFrame
del df1

# Perform garbage collection
gc.collect()

输出

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   A       3 non-null      int64
 1   B       3 non-null      int64
dtypes: int64(2)
memory usage: 176.0 bytes

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
Int64Index: 6 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column  Non-Null Count  Dtype
---  ------  --------------  -----
 0   A       6 non-null      int64
 1   B       6 non-null      int64
dtypes: int64(2)
memory usage: 144.0 bytes

在每个示例中，在对DataFrame执行操作之前和之后都会检查DataFrame的内存使用情况。此外，使用del关键字删除旧的DataFrame，并使用gc.collect（）方法执行垃圾收集。这些步骤有助于避免内存泄漏，并确保程序有效地使用内存。

要使用malloc_trim来释放Pandas DataFrame正在使用的内存，您可以按照以下步骤操作。

导入ctypes模块并从C标准库加载malloc_trim函数。删除对DataFrame的引用。使用零参数调用malloc_trim函数。这将释放以前使用malloc函数分配的所有内存，这些内存不再被应用程序使用。

示例4：

import ctypes
import pandas as pd

# Load the malloc_trim function from the C standard library
malloc_trim = ctypes.CDLL("libc.so.6").malloc_trim

# Create a large Pandas DataFrame
df = pd.DataFrame({"col1": range(1000000),
				"col2": range(1000000)})

# Print the memory usage of the DataFrame
print(f"Memory usage before deleting reference:\
{df.memory_usage().sum()} bytes")

# Delete the reference to the DataFrame
del df

# Call the malloc_trim function with a zero argument
malloc_trim(0)

# Print the memory usage again to see if it has been released
# (This will raise a NameError because df is no longer defined)
print(f"Memory usage after calling malloc_trim:\
{df.memory_usage().sum()} bytes")

输出

Memory usage before deleting reference: 16000128 bytes
NameError: name 'df' is not defined

malloc_trim不是释放Pandas DataFrame使用的内存的可靠方法，因为它只释放先前使用malloc函数分配的内存，而Pandas DataFrame使用的内存是使用其他函数分配的。要释放Pandas DataFrame使用的内存，您应该使用del关键字删除对DataFrame的引用，或者您可以使用gc.collect（）函数运行垃圾收集器并释放内存。

其他内存优化策略

1.使用正确的数据类型：使用内存消耗较少的数据类型，如int 8和float 16，而不是标准的int 64和float 64。

# Convert the column data types to less memory occupying data types
df_new['column1'] = df['column1'].astype('int8')
df_new['column2'] = df['column2'].astype('float16')

2.分类数据类型：利用pd.Categorical，将分类变量转换为分类数据类型以节省内存。

# Convert any column to the categorical data type column
df['category_column_name'] = pd.Categorical(df['category_column_name'])

3.稀疏数据结构：对于具有大量缺失值的数据，请使用稀疏数据结构（如Sparse DataFrame），因为它们可以保存大量内存。

# Create a Sparse DataFrame
from pandas import SparseDataFrame
df_sparse = SparseDataFrame(df)

4.在存储或移动数据时考虑压缩数据。借助gzip等工具可以减少数据的内存占用。

# Compress dataframe using gzip
df.to_csv('compressed_data.csv.gz', compression='gzip')