使用numpy实现topk函数操作(并排序)

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np.argpartition 难以解决topK

topK是常用的一个功能，在python中，numpy等计算库使用了丰富的底层优化，对于矩阵计算的效率远高于python的for-loop实现。因此，我们希望尽量用一些numpy函数的组合实现topK。

pytorch 库提供了topk函数，可以将高维数组沿某一维度（该维度共N项），选出最大（最小）的K项并排序。返回排序结果和index信息。奇怪的是，更轻量级的numpy库并没有直接提供 topK 函数。numpy只提供了argpartition 和 partition，可以将最大（最小）的K项排到前K位。以argpartition为例，最小的3项排到了前3位：

>>> x = np.array([3, 5, 6, 4, 2, 7, 1])
>>> x[np.argpartition(x, 3)]
array([2, 1, 3, 4, 5, 7, 6])

注意，argpartition实现的是 partial sorting，如上例，前3项和其余项被分开，但是两部分各自都是不排序的！而我们可能更想要topK的几项排好序（其余项则不作要求）。因此，下面提供一种基于argpartition的topK方法。

一个naive方法

最简单的方法自然是全排序，然后取前K项。缺点在于，要把topK之外的数据也进行排序，当K << N时较为浪费时间，复杂度为O ( n log ⁡ n ) O(n \log n)O(nlogn):

def naive_arg_topK(matrix, K, axis=0):
    """
    perform topK based on np.argsort
    :param matrix: to be sorted
    :param K: select and sort the top K items
    :param axis: dimension to be sorted.
    :return:
    """
    full_sort = np.argsort(matrix, axis=axis)
    return full_sort.take(np.arange(K), axis=axis)

# Example
>>> dists = np.random.permutation(np.arange(30)).reshape(6, 5)
array([[17, 28,  1, 24, 23,  8],
       [ 9, 21,  3, 22,  4,  5],
       [19, 12, 26, 11, 13, 27],
       [10, 15, 18, 14,  7, 16],
       [ 0, 25, 29,  2,  6, 20]])
>>> naive_arg_topK(dists, 2, axis=0)
array([[4, 2, 0, 4, 1, 1],
       [1, 3, 1, 2, 4, 0]])
>>> naive_arg_topK(dists, 2, axis=1)
array([[2, 5],
       [2, 4],
       [3, 1],
       [4, 0],
       [0, 3]])

基于partition的方法

对于 np.argpartition 函数，复杂度可能下降到 O ( n log ⁡ K ) O(n \log K)O(nlogK)，很多情况下，K << N，此时naive方法有优化的空间。

以下方法首先选出 topK 项，然后仅对前topK项进行排序（matrix仅限2d-array）。

def partition_arg_topK(matrix, K, axis=0):
    """
    perform topK based on np.argpartition
    :param matrix: to be sorted
    :param K: select and sort the top K items
    :param axis: 0 or 1. dimension to be sorted.
    :return:
    """
    a_part = np.argpartition(matrix, K, axis=axis)
    if axis == 0:
        row_index = np.arange(matrix.shape[1 - axis])
        a_sec_argsort_K = np.argsort(matrix[a_part[0:K, :], row_index], axis=axis)
        return a_part[0:K, :][a_sec_argsort_K, row_index]
    else:
        column_index = np.arange(matrix.shape[1 - axis])[:, None]
        a_sec_argsort_K = np.argsort(matrix[column_index, a_part[:, 0:K]], axis=axis)
        return a_part[:, 0:K][column_index, a_sec_argsort_K]

# Example
>>> dists = np.random.permutation(np.arange(30)).reshape(6, 5)
array([[17, 28,  1, 24, 23,  8],
       [ 9, 21,  3, 22,  4,  5],
       [19, 12, 26, 11, 13, 27],
       [10, 15, 18, 14,  7, 16],
       [ 0, 25, 29,  2,  6, 20]])
>>> partition_arg_topK(dists, 2, axis=0)
array([[4, 2, 0, 4, 1, 1],
       [1, 3, 1, 2, 4, 0]])
>>> partition_arg_topK(dists, 2, axis=1)
array([[2, 5],
       [2, 4],
       [3, 1],
       [4, 0],
       [0, 3]])

大数据量测试

对shape(5000, 100000)的矩阵进行topK排序，测试时间为：

K	partition(s)	naive(s)
10	8.884	22.604
100	9.012	22.458
1000	8.904	22.506
5000	11.305	22.844

补充：python堆排序实现TOPK问题

# 构建小顶堆跳转def sift(li, low, higt):
    tmp = li[low]
    i = low
    j = 2 * i + 1
    while j <= higt:  # 情况2：i已经是最后一层
        if j + 1 <= higt and li[j + 1] < li[j]:  # 右孩子存在并且小于左孩子
            j += 1
        if tmp > li[j]:
            li[i] = li[j]
            i = j
            j = 2 * i + 1
        else:
            break  # 情况1：j位置比tmp小
    li[i] = tmp


def top_k(li, k):
    heap = li[0:k]
    # 建堆
    for i in range(k // 2 - 1, -1, -1):
        sift(heap, i, k - 1)
    for i in range(k, len(li)):
        if li[i] > heap[0]:
            heap[0] = li[i]
            sift(heap, 0, k - 1)
    # 挨个输出
    for i in range(k - 1, -1, -1):
        heap[0], heap[i] = heap[i], heap[0]
        sift(heap, 0, i - 1)
    return heap


li = [0, 8, 6, 2, 4, 9, 1, 4, 6]
print(top_k(li, 3))

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持极客世界。