自适应移动平均线 - R中的顶级性能

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我正在寻找一些在R中使用滚动/滑动窗口函数方面的性能提升。这是一个非常常见的任务,可以用于任何有序观测数据集。我想分享一些我的发现,也许有人能够提供反馈以使其更快。
重要的是,我专注于align="right"和自适应滚动窗口的情况,所以width是一个向量(与我们的观测向量长度相同)。如果width是标量,那么已经有非常成熟的函数在zooTTR包中,很难超越它们(4年后:比我预期的要容易)因为其中一些甚至使用了Fortran(但仍然可以使用下面提到的wapply来加速用户定义的FUNs)。
值得一提的是RcppRoll包,由于其出色的性能,但目前还没有回答这个问题的函数。如果有人能够扩展它来回答这个问题将会很棒。
x = c(120,105,118,140,142,141,135,152,154,138,125,132,131,120)
plot(x, type="l")

plot of chunk make_x

我们想要对变量为x的向量应用滚动函数,并且滚动窗口的宽度是可变的width
set.seed(1)
width = sample(2:4,length(x),TRUE)

在这种特殊情况下,我们将使用适应于样本为c(2,3,4)的滚动函数。
我们将应用mean函数,预期结果:
r = f(x, width, FUN = mean)
print(r)
##  [1]       NA       NA 114.3333 120.7500 141.0000 135.2500 139.5000
##  [8] 142.6667 147.0000 146.0000 131.5000 128.5000 131.5000 127.6667
plot(x, type="l")
lines(r, col="red")

plot of chunk make_results

任何指标都可以用来生成不同变体的自适应移动平均线或其他函数的宽度参数。
追求卓越表现。
3个回答

25

2018年12月更新

最近在data.table中实现了自适应滚动函数的高效实现 - 更多信息请参见?froll手册。此外,还发现了一种使用基本R的有效替代方案(下面是fastama)。不幸的是,Kevin Ushey的答案并未解决问题,因此未包含在基准测试中。 基准测试的规模已经增加,因为比较微秒级别已经没有意义。

set.seed(108)
x = rnorm(1e6)
width = rep(seq(from = 100, to = 500, by = 5), length.out=length(x))
microbenchmark(
  zoo=rollapplyr(x, width = width, FUN=mean, fill=NA),
  mapply=base_mapply(x, width=width, FUN=mean, na.rm=T),
  wmapply=wmapply(x, width=width, FUN=mean, na.rm=T),
  ama=ama(x, width, na.rm=T),
  fastama=fastama(x, width),
  frollmean=frollmean(x, width, na.rm=T, adaptive=TRUE),
  frollmean_exact=frollmean(x, width, na.rm=T, adaptive=TRUE, algo="exact"),
  times=1L
)
#Unit: milliseconds
#            expr          min           lq         mean       median           uq          max neval
#             zoo 32371.938248 32371.938248 32371.938248 32371.938248 32371.938248 32371.938248     1
#          mapply 13351.726032 13351.726032 13351.726032 13351.726032 13351.726032 13351.726032     1
#         wmapply 15114.774972 15114.774972 15114.774972 15114.774972 15114.774972 15114.774972     1
#             ama  9780.239091  9780.239091  9780.239091  9780.239091  9780.239091  9780.239091     1
#         fastama   351.618042   351.618042   351.618042   351.618042   351.618042   351.618042     1
#       frollmean     7.708054     7.708054     7.708054     7.708054     7.708054     7.708054     1
# frollmean_exact   194.115012   194.115012   194.115012   194.115012   194.115012   194.115012     1

ama = function(x, n, na.rm=FALSE, fill=NA, nf.rm=FALSE) {
  # more or less the same as previous forloopply
  stopifnot((nx<-length(x))==length(n))
  if (nf.rm) x[!is.finite(x)] = NA_real_
  ans = rep(NA_real_, nx)
  for (i in seq_along(x)) {
    ans[i] = if (i >= n[i])
      mean(x[(i-n[i]+1):i], na.rm=na.rm)
    else as.double(fill)
  }
  ans
}
fastama = function(x, n, na.rm, fill=NA) {
  if (!missing(na.rm)) stop("fast adaptive moving average implemented in R does not handle NAs, input having NAs will result in incorrect answer so not even try to compare to it")
  # fast implementation of adaptive moving average in R, in case of NAs incorrect answer
  stopifnot((nx<-length(x))==length(n))
  cs = cumsum(x)
  ans = rep(NA_real_, nx)
  for (i in seq_along(cs)) {
    ans[i] = if (i == n[i])
      cs[i]/n[i]
    else if (i > n[i])
      (cs[i]-cs[i-n[i]])/n[i]
    else as.double(fill)
  }
  ans
}

新回答:

我选择了4个可用的解决方案,无需使用C++,非常容易找到或搜索。

# 1. rollapply
library(zoo)
?rollapplyr
# 2. mapply
base_mapply <- function(x, width, FUN, ...){
  FUN <- match.fun(FUN)
  f <- function(i, width, data){
    if(i < width) return(NA_real_)
    return(FUN(data[(i-(width-1)):i], ...))
  }
  mapply(FUN = f, 
         seq_along(x), width,
         MoreArgs = list(data = x))
}
# 3. wmapply - modified version of wapply found: https://rmazing.wordpress.com/2013/04/23/wapply-a-faster-but-less-functional-rollapply-for-vector-setups/
wmapply <- function(x, width, FUN = NULL, ...){
  FUN <- match.fun(FUN)
  SEQ1 <- 1:length(x)
  SEQ1[SEQ1 <  width] <- NA_integer_
  SEQ2 <- lapply(SEQ1, function(i) if(!is.na(i)) (i - (width[i]-1)):i)
  OUT <- lapply(SEQ2, function(i) if(!is.null(i)) FUN(x[i], ...) else NA_real_)
  return(base:::simplify2array(OUT, higher = TRUE))
}
# 4. forloopply - simple loop solution
forloopply <- function(x, width, FUN = NULL, ...){
  FUN <- match.fun(FUN)
  OUT <- numeric()
  for(i in 1:length(x)) {
    if(i < width[i]) next
    OUT[i] <- FUN(x[(i-(width[i]-1)):i], ...)
  }
  return(OUT)
}

以下是 prod 函数的时间。可能已经在 rollapplyr 函数内优化了 mean 函数。所有结果都相等。
library(microbenchmark)
# 1a. length(x) = 1000, window = 5-20
x <- runif(1000,0.5,1.5)
width <- rep(seq(from = 5, to = 20, by = 5), length(x)/4)
microbenchmark(
  rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA),
  base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  times=100L
)
Unit: milliseconds
                                                       expr       min        lq    median       uq       max neval
 rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA) 59.690217 60.694364 61.979876 68.55698 153.60445   100
   base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 14.372537 14.694266 14.953234 16.00777  99.82199   100
       wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T)  9.384938  9.755893  9.872079 10.09932  84.82886   100
    forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 14.730428 15.062188 15.305059 15.76560 342.44173   100

# 1b. length(x) = 1000, window = 50-200
x <- runif(1000,0.5,1.5)
width <- rep(seq(from = 50, to = 200, by = 50), length(x)/4)
microbenchmark(
  rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA),
  base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  times=100L
)
Unit: milliseconds
                                                       expr      min       lq   median       uq      max neval
 rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA) 71.99894 74.19434 75.44112 86.44893 281.6237   100
   base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 15.67158 16.10320 16.39249 17.20346 103.6211   100
       wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 10.88882 11.54721 11.75229 12.19790 106.1170   100
    forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 15.70704 16.06983 16.40393 17.14210 108.5005   100

# 2a. length(x) = 10000, window = 5-20
x <- runif(10000,0.5,1.5)
width <- rep(seq(from = 5, to = 20, by = 5), length(x)/4)
microbenchmark(
  rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA),
  base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  times=100L
)
Unit: milliseconds
                                                       expr       min       lq   median       uq       max neval
 rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA) 753.87882 781.8789 809.7680 872.8405 1116.7021   100
   base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 148.54919 159.9986 231.5387 239.9183  339.7270   100
       wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T)  98.42682 105.2641 117.4923 183.4472  245.4577   100
    forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 533.95641 602.0652 646.7420 672.7483  922.3317   100

# 2b. length(x) = 10000, window = 50-200
x <- runif(10000,0.5,1.5)
width <- rep(seq(from = 50, to = 200, by = 50), length(x)/4)
microbenchmark(
  rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA),
  base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm=T),
  times=100L
)
Unit: milliseconds
                                                       expr      min       lq    median        uq       max neval
 rollapplyr(data = x, width = width, FUN = prod, fill = NA) 912.5829 946.2971 1024.7245 1071.5599 1431.5289   100
   base_mapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 171.3189 180.6014  260.8817  269.5672  344.4500   100
       wmapply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 123.1964 131.1663  204.6064  221.1004  484.3636   100
    forloopply(x = x, width = width, FUN = prod, na.rm = T) 561.2993 696.5583  800.9197  959.6298 1273.5350   100

5
@Dirk,我不想为了只有一个分享而开始写博客。Stack Overflow也是一个非常好的讨论版块。滚动窗口函数的问题在SO上很常见,但我没有找到任何好的基准。尽管如此,我希望在不使用Cpp的情况下能够在这个领域取得一些性能提升,因此我期待能够得到更好的回答。 - jangorecki
20
不同意,我认为这没有什么问题。SO是一座知识库,我个人从中学到了一些东西。 - BrodieG
5
SO鼓励用户提出并回答自己的问题,只要遵守适当的礼仪。请参见这里 - Kevin Ushey
5
换句话说,如果有其他人提出这个问题,然后MusX回答了它,他的回答会被视为积极的贡献。而且这不是一个无用的问题,所以我真的看不出这有什么不好。 - BrodieG
4
根据Kevin的信息,RcppRoll仅将“width”作为标量处理,因此默认情况下它将无法解决该问题。我不懂Cpp,但我相信可能可以进行调整来解决这个问题,就像我对r-bloggers中的wapply所做的调整一样——该函数也仅接受标量“width”。大多数任务可以通过R-cpp接口执行得更快。如果没有将“width”作为标量,很难比较计时,即使如此,最好还是将最佳非cpp解决方案与cpp解决方案的计时进行比较。 - jangorecki
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23

参考一下,如果您只需要一个窗口长度进行“滚动”,那么您绝对应该查看RcppRoll

library(RcppRoll) ## install.packages("RcppRoll")
library(microbenchmark)
x <- runif(1E5)
all.equal( rollapplyr(x, 10, FUN=prod), roll_prod(x, 10) )
microbenchmark( times=5,
  rollapplyr(x, 10, FUN=prod),
  roll_prod(x, 10)
)

给我
> library(RcppRoll)
> library(microbenchmark)
> x <- runif(1E5)
> all.equal( rollapplyr(x, 10, FUN=prod), roll_prod(x, 10) )
[1] TRUE
> microbenchmark( times=5,
+   zoo=rollapplyr(x, 10, FUN=prod),
+   RcppRoll=roll_prod(x, 10)
+ )
Unit: milliseconds
     expr        min         lq     median         uq         max neval
      zoo 924.894069 968.467299 997.134932 1029.10883 1079.613569     5
 RcppRoll   1.509155   1.553062   1.760739    1.90061    1.944999     5

它会比较快;)并且该软件包足够灵活,使用户可以定义和使用自己的滚动函数(使用C++)。 我可能会在将来扩展该软件包,以允许多个窗口宽度,但我确定这将是棘手的。

如果您想要自己定义prod,则可以这样做--RcppRoll允许您定义自己的C++函数以通过并生成'rolling'函数。 rollit提供了一个更好的界面,而rollit_raw只允许您自己编写C++函数,有点像您可能使用Rcpp::cppFunction所做的那样。 哲学是,您只需要表达您希望在特定窗口上执行的计算,RcppRoll就可以负责迭代一些大小的窗口。

library(RcppRoll)
library(microbenchmark)
x <- runif(1E5)
my_rolling_prod <- rollit(combine="*")
my_rolling_prod2 <- rollit_raw("
double output = 1;
for (int i=0; i < n; ++i) {
  output *= X(i);
}
return output;
")
all.equal( roll_prod(x, 10), my_rolling_prod(x, 10) )
all.equal( roll_prod(x, 10), my_rolling_prod2(x, 10) )
microbenchmark( times=5,
  rollapplyr(x, 10, FUN=prod),
  roll_prod(x, 10),
  my_rolling_prod(x, 10),
  my_rolling_prod2(x, 10)
)

提供给我
> library(RcppRoll)
> library(microbenchmark)
> # 1a. length(x) = 1000, window = 5-20
> x <- runif(1E5)
> my_rolling_prod <- rollit(combine="*")
C++ source file written to /var/folders/m7/_xnnz_b53kjgggkb1drc1f8c0000gn/T//RtmpcFMJEV/file80263aa7cca2.cpp .
Compiling...
Done!
> my_rolling_prod2 <- rollit_raw("
+ double output = 1;
+ for (int i=0; i < n; ++i) {
+   output *= X(i);
+ }
+ return output;
+ ")
C++ source file written to /var/folders/m7/_xnnz_b53kjgggkb1drc1f8c0000gn/T//RtmpcFMJEV/file802673777da2.cpp .
Compiling...
Done!
> all.equal( roll_prod(x, 10), my_rolling_prod(x, 10) )
[1] TRUE
> all.equal( roll_prod(x, 10), my_rolling_prod2(x, 10) )
[1] TRUE
> microbenchmark(
+   rollapplyr(x, 10, FUN=prod),
+   roll_prod(x, 10),
+   my_rolling_prod(x, 10),
+   my_rolling_prod2(x, 10)
+ )

> microbenchmark( times=5,
+   rollapplyr(x, 10, FUN=prod),
+   roll_prod(x, 10),
+   my_rolling_prod(x, 10),
+   my_rolling_prod2(x, 10)
+ )
Unit: microseconds
                          expr        min          lq      median          uq         max neval
 rollapplyr(x, 10, FUN = prod) 979710.368 1115931.323 1117375.922 1120085.250 1149117.854     5
              roll_prod(x, 10)   1504.377    1635.749    1638.943    1815.344    2053.997     5
        my_rolling_prod(x, 10)   1507.687    1572.046    1648.031    2103.355    7192.493     5
       my_rolling_prod2(x, 10)    774.381     786.750     884.951    1052.508    1434.660     5

实际上,只要您能够通过 rollit 接口或通过 rollit_raw 传递的 C++ 函数表达您希望在特定窗口执行的计算(它的接口有点严格,但仍然是可用的),您就可以做得很好。


我不知道你的roll_prod是什么,但我正在寻找未经优化的函数,我选择prod来模拟用户定义的函数,只是因为其他标准的meanmax等已经在rollapply中进行了优化。事实上,你的函数时间表现非常出色,但是作为一个标量的width仍然是一个需要解决的问题。无论如何,对我来说最大的问题是Cpp。感谢你提供的时间,我可以请求使用roll_it进行相同的时间测试吗?以获得标准用户定义的prod函数的时间测试结果。 - jangorecki
4
我更新了我的答案,加上了一个使用自定义函数与 RcppRoll 结合的例子,特别是这里表达 prod 的两种方式。 - Kevin Ushey
太棒了!我认为这也让我对一个相关的问题(https://dev59.com/DnbZa4cB1Zd3GeqPCB_G)有了更清晰的认识!谢谢! - bright-star
您IP地址为143.198.54.68,由于运营成本限制,当前对于免费用户的使用频率限制为每个IP每72小时10次对话,如需解除限制,请点击左下角设置图标按钮(手机用户先点击左上角菜单按钮)。 - jangorecki

6

人们不知道在R的基础包(stats包)中有一个超快的runmed()函数。根据我理解,它没有自适应性,但对于滚动中位数来说非常快!这里将其与RcppRoll中的roll_median()进行比较。

> microbenchmark(
+   runmed(x = x, k = 3),
+   roll_median(x, 3),
+   times=1000L
+ )
Unit: microseconds
                 expr     min      lq      mean  median      uq     max neval
 runmed(x = x, k = 3)  41.053  44.854  47.60973  46.755  49.795 117.838  1000
    roll_median(x, 3) 101.872 105.293 108.72840 107.574 111.375 178.657  1000

请提供要翻译的英语内容。 - jangorecki

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可以查看英文原文,
原文链接