pandas有一個(gè)特別的數(shù)據(jù)類型叫category，如其名一樣，是一種分類的數(shù)據(jù)類型。category很嬌氣，使用的時(shí)候稍有不慎就會進(jìn)坑，因此本篇將介紹在pandas中，

1. 為什么要使用category？

2. 以及使用category時(shí)需要注意的一些坑！

文中使用的pandas版本為1.2.3，于今年2021年3月發(fā)布的。

為什么使用category數(shù)據(jù)類型？

總結(jié)一下，使用category有以下一些好處：

內(nèi)存使用情況：對于重復(fù)值很多的字符串列，category可以大大減少將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中所需的內(nèi)存量;

運(yùn)行性能：進(jìn)行了一些優(yōu)化，可以提高某些操作的執(zhí)行速度

算法庫的適用：在某些情況下，一些算法模型需要category這種類型。比如，我們知道lightgbm相對于xgboost優(yōu)化的一個(gè)點(diǎn)就是可以處理分類變量，而在構(gòu)建模型時(shí)我們需要指定哪些列是分類變量，并將它們調(diào)整為category作為超參數(shù)傳給模型。

一個(gè)簡單的例子。

df_size = 100_000

df1 = pd.DataFrame（

{

“float_1”： np.random.rand（df_size），

“species”： np.random.choice（［“cat”， “dog”， “ape”， “gorilla”］， size=df_size），

}

）

df1_cat = df1.astype（{“species”： “category”}）

創(chuàng)建了兩個(gè)DataFrame，其中df1包含了species并且為object類型，df1_cat復(fù)制了df1，但指定了species為category類型。

》》 df1.memory_usage（deep=True）

Index 128

float_1 800000

species 6100448

dtype： int64

就內(nèi)存使用而言，我們可以直接看到包含字符串的列的成本是多高。species列的字符串大約占用了6MB，如果這些字符串較長，則將會更多。

》》 df1_cat.memory_usage（deep=True）

Index 128

float_1 800000

species 100416

dtype： int64

再看轉(zhuǎn)換為category類別后的內(nèi)存使用情況。有了相當(dāng)大的改進(jìn)，使用的內(nèi)存減少了大約60倍。沒有對比，就沒有傷害。

這就是使用category的其中一個(gè)好處。但愛之深，責(zé)之切呀，使用它要格外小心。

使用category的一些坑！

一、category列的操作

好吧，這部分應(yīng)該才是大家較為關(guān)心的，因?yàn)榻?jīng)常會遇到一些莫名其妙的報(bào)錯(cuò)或者感覺哪里不對，又不知道問題出在哪里。

首先，說明一下：使用category的時(shí)候需要格外小心，因?yàn)槿绻藙莶粚Γ秃芸赡茏兓豲bject。而變回object的結(jié)果就是，會降低代碼的性能（因?yàn)閺?qiáng)制轉(zhuǎn)換類型成本很高），并會消耗內(nèi)存。

日常面對category類型的數(shù)據(jù)，我們肯定是要對其進(jìn)行操作的，比如做一些轉(zhuǎn)換。下面看一個(gè)例子，我們要分別對category和object類型進(jìn)行同樣的字符串大寫操作，使用accessor的.str方法。

在非category字符串上：

》》 %timeit df1［“species”］.str.upper（）

25.6 ms ± 2.07 ms per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 10 loops each）

在category字符串上：

》》 %timeit df1_cat［“species”］.str.upper（）

1.85 ms ± 41.1 μs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

結(jié)果很明顯了。在這種情況下，速度提高了大約14倍（因?yàn)閮?nèi)部優(yōu)化會讓.str.upper（）僅對分類的唯一類別值調(diào)用一次，然后根據(jù)結(jié)果構(gòu)造一個(gè)seires，而不是對結(jié)果中的每個(gè)值都去調(diào)用一次）。

怎么理解？假設(shè)現(xiàn)有一個(gè)列叫animal，其類別有cat和dog兩種，假設(shè)樣本為10000個(gè)，4000個(gè)cat和6000個(gè)dog。那么如果我用對category本身處理，意味著我只分別對cat和dog兩種類別處理一次，一共兩次就解決。如果對每個(gè)值處理，那就需要樣本數(shù)量10000次的處理。

盡管從時(shí)間上有了一些優(yōu)化，然而這種方法的使用也是有一些問題的。。。看一下內(nèi)存使用情況。

》》 df1_cat［“species”］.str.upper（）.memory_usage（deep=True）

6100576

意外的發(fā)現(xiàn)category類型丟了。。結(jié)果竟是一個(gè)object類型，數(shù)據(jù)壓縮的效果也沒了，現(xiàn)在的結(jié)果再次回到剛才的6MB內(nèi)存占用。

這是因?yàn)槭褂胹tr會直接讓原本的category類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為object，所以內(nèi)存占用又回去了，這是我為什么最開始說要格外小心。

解決方法就是：直接對category本身操作而不是對它的值操作。 要直接使用cat的方法來完成轉(zhuǎn)換操作，如下。

%timeit df1_cat［“species”］.cat.rename_categories（str.upper）

239 μs ± 13.9 μs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

可以看到，這個(gè)速度就更快了，因?yàn)槭∪チ藢ategory類別轉(zhuǎn)換為object的時(shí)間，并且內(nèi)存占用也非常少。因此，這才是最優(yōu)的做法。

二、與category列的合并

還是上面那個(gè)例子，但是這次增加了habitat一列，并且species中增加了sanke。

df2 = pd.DataFrame（

{

“species”： ［“cat”， “dog”， “ape”， “gorilla”， “snake”］，

“habitat”： ［“house”， “house”， “jungle”， “jungle”， “jungle”］，

}

）

df2_cat = df2.astype（{“species”： “category”， “habitat”： “category”}）

和前面一樣，創(chuàng)建該數(shù)據(jù)集的一個(gè)category版本，并創(chuàng)建了一個(gè)帶有object字符串的版本。如果將兩個(gè)object列合并在一起的，沒什么意思，因?yàn)榇蠹叶贾罆l(fā)生什么，object+ object= object而已。

把object列合并到category列上

還是一個(gè)例子。

》》 df1.merge（df2_cat， on=“species”）.dtypes

float_1 float64

species object

habitat category

dtype： object

左邊的df1中species列為object，右邊的df2_cat中species列為category。我們可以看到，當(dāng)我們合并時(shí)，在結(jié)果中的合并列會得到category+ object= object。

這顯然不行了，又回到原來那樣了。我們再試下其他情況。

兩個(gè)category列的合并

》》 df1_cat.merge（df2_cat， on=“species”）.dtypes

float_1 float64

species object

habitat category

dtype： object

結(jié)果是：category+ category= object？

有點(diǎn)想打人了，但是別急，我們看看為啥。

在合并中，為了保存分類類型，兩個(gè)category類型必須是完全相同的。 這個(gè)與pandas中的其他數(shù)據(jù)類型略有不同，例如所有float64列都具有相同的數(shù)據(jù)類型，就沒有什么區(qū)分。

而當(dāng)我們討論category數(shù)據(jù)類型時(shí)，該數(shù)據(jù)類型實(shí)際上是由該特定類別中存在的一組值來描述的，因此一個(gè)類別包含［“cat”， “dog”， “mouse”］與類別包含［“cheese”， “milk”， “eggs”］是不一樣的。上面的例子之所以沒成功，是因?yàn)槎嗉恿艘粋€(gè)snake。

因此，我們可以得出結(jié)論：

category1+ category2=object

category1+ category1=category1

因此，解決辦法就是：兩個(gè)category類別一模一樣，讓其中一個(gè)等于另外一個(gè)。

》》 df1_cat.astype（{“species”： df2_cat［“species”］.dtype}）.merge（

df2_cat， on=“species”

）.dtypes

float_1 float64

species category

habitat category

dtype： object

三、category列的分組

用category類列分組時(shí)，一旦誤操作就會發(fā)生意外，結(jié)果是Dataframe會被填成空值，還有可能直接跑死。。

當(dāng)對category列分組時(shí)，默認(rèn)情況下，即使category類別的各個(gè)類不存在值，也會對每個(gè)類進(jìn)行分組。

一個(gè)例子來說明。

habitat_df = （

df1_cat.astype（{“species”： df2_cat［“species”］.dtype}）

.merge（df2_cat， on=“species”）

）

house_animals_df = habitat_df.loc［habitat_df［“habitat”］ == “house”］

這里采用habitat_df，從上面例子得到的，篩選habitat為house的，只有dog和cat是house，看下面分組結(jié)果。

》》 house_animals_df.groupby（“species”）［“float_1”］.mean（）

species

ape NaN

cat 0.501507

dog 0.501023

gorilla NaN

snake NaN

Name： float_1， dtype： float64

在groupby中得到了一堆空值。默認(rèn)情況下，當(dāng)按category列分組時(shí)，即使數(shù)據(jù)不存在，pandas也會為該類別中的每個(gè)值返回結(jié)果。略坑，如果數(shù)據(jù)類型包含很多不存在的，尤其是在多個(gè)不同的category列上進(jìn)行分組，將會極其損害性能。

因此，解決辦法是：可以傳遞observed=True到groupby調(diào)用中，這確保了我們僅獲取數(shù)據(jù)中有值的組。

》》 house_animals_df.groupby（“species”， observed=True）［“float_1”］.mean（）

species

cat 0.501507

dog 0.501023

Name： float_1， dtype： float64

四、category列的索引

仍以上面例子舉例，使用groupby-unstack實(shí)現(xiàn)了一個(gè)交叉表，species作為列，habitat作為行，均為category類型。

》》 species_df = habitat_df.groupby（［“habitat”， “species”］， observed=True）［“float_1”］.mean（）.unstack（）

》》 species_df

species cat ape dog gorilla

habitat

house 0.501507 NaN 0.501023 NaN

jungle NaN 0.501284 NaN 0.501108

這好像看似也沒什么毛病，我們繼續(xù)往下看。為這個(gè)交叉表添加一個(gè)新列new_col，值為1。

》》 species_df［“new_col”］ = 1

TypeError： ‘fill_value=new_col’ is not present in this Categorical‘s categories

正常情況下，上面這段代碼是完全可以的，但這里報(bào)錯(cuò)了，為什么？

原因是：species和habitat現(xiàn)在均為category類型。使用.unstack（）會把species索引移到列索引中（類似pivot交叉表的操作）。而當(dāng)添加的新列不在species的分類索引中時(shí)，就會報(bào)錯(cuò)。

雖然平時(shí)使用時(shí)可能很少用分類作為索引，但是萬一恰巧用到了，就要注意一下了。

總結(jié)

總結(jié)一下，pandas的category類型非常有用，可以帶來一些良好的性能優(yōu)勢。但是它也很嬌氣，使用過程中要尤為小心，確保category類型在整個(gè)流程中保持不變，避免變回object。本文介紹的4個(gè)點(diǎn)注意點(diǎn)：

category列的變換操作：直接對category本身操作而不是對它的值操作。這樣可以保留分類性質(zhì)并提高性能。

category列的合并：合并時(shí)注意，要保留category類型，且每個(gè)dataframe的合并列中的分類類型必須完全匹配。

category列的分組：默認(rèn)情況下，獲得數(shù)據(jù)類型中每個(gè)值的結(jié)果，即使數(shù)據(jù)中不存在該結(jié)果。可以通過設(shè)置observed=True調(diào)整。

category列的索引：當(dāng)索引為category類型的時(shí)候，注意是否可能與類別變量發(fā)生奇怪的交互作用。

編輯：jq