使用Rcpp提高性能之入门篇

C++能解决的瓶颈问题有:

  • 由于迭代依赖于之前结果,循环难以简便的向量化运算
  • 递归函数,或者是需要对同一个函数运算成千上万次
  • R语言缺少一些高级数据结构和算法

我们只需要在代码中写一部分C++代码来就可以处理上面这些问题。后续操作在Windows下进行,你需要安装Rtools,用install.packages("Rcpp")安装新版的Rcpp,最重要一点,你需要保证你R语言时不能是C:/Program Files/R/R-3.5.1/这种形式,否则会报错。

后续操作会用到microbenchmark包来评估R代码和RCPP的效率差异,用install.packages('microbenchmark)安装

RCPP入门

先从一个简单的add函数开始,学习如何用cppFunction在R里面写C++代码

library(Rcpp)

cppFunction('int add(int x, int y, int z) {
  int sum = x + y + z;
  return sum;
}')
add
# function (x, y) 
# .Call(<pointer: 0x0000000063c015a0>, x, y)

Rcpp将会编译C++代码, 然后构建能够连接到C++函数的R函数。后续将会介绍如何将一些R代码改写成C++代码。

  • 标量输入,标量输出
  • 向量输入,标量输出
  • 向量输入,向量输出
  • 矩阵输入,向量输出

没有输入,标量输出

最简单的函数就是不提供任何输出,返回一个输出,比如说

one <- function() 1L

等价的C++代码是

int one(){
    return 1;
}

那么将这段C++代码在R用cppFunction中改写就是如下

cppFunction('int one(){
  return 1;
}')

上面这段函数就展示了R和C++之间一些重要区别:

  • C++写代码不是函数名 <- function(参数){} 而是 函数名(函数参数){}
  • C++中必须声明返回类型,ini就是标量整数。C++对应R语言常用向量的类是: NumericVector,IntegerVector, CharacterVectorLogicalVector.
  • R语言没有标量,全是向量。而C++有向量和标量之分,标量的数据类型是double, int, Stringbool
  • C++你必须要用到return声明要返回的数据
  • 每段代码后要跟着;

标量输入,标量输出

我们可以写一个函数,sign,他的功能就是把一个负数转成正数,正数不变

signR <- function(x){
  if (x > 0){
    x
  } else if (x == 0 ){
    0
  } else{
    -x
  }
}

cppFunction('int signC(int x){
            if( x >0 ){
              return x;
            } else if (x == 0){
              return 0;
            } else {
              return -x;
            }
}')

这个例子中要注意两件事情

  • C++中,你需要声明输入的数据类型
  • C++和R的条件语句长得一样。

向量输入,标量输出

R和C++一大区别就是R的循环效率很低。因此在R语言要尽量避免使用显示的循环语句,尽量向量化运算函数。而C++的循环花销特别小,所以可以放心大胆的用。

让我们用R代码写一个求和函数sum 以及 C++的求和函数,然后比较下效率

sumR <- function(x){
  total <- 0
  for (i in seq_along(x)){
    total <- total + x[i]
  }
  total
}

cppFunction('int sumC(NumericVector x ){ 
            int n = x.size();
            double total = 0;
            for(int i = 0; i < n; ++i){
              total += x[i];  
            }
            return total;
            }')

C++版本和R版本的逻辑相同,但是有如下不同

  • .size()确认向量的长度
  • for的写法为for(初始值; 判断语句; 递增)
  • 记住: C++的向量索引从0开始,R是从1开始
  • 向量赋值是=而不是<-
  • total += x[i]等价于total = total + x[i], 类似的符号还有-=, *=, /=

最后用microbenchmark比较下,R自带求和函数和我们自己写的两个版本的差异

x <- runif(1000)
microbenchmark(
  sum(x),
  sumC(x),
  sumR(x)
)

最快的是高度优化过的内置函数,最差的就是sumR(), 速度会比sumC()慢10倍以上。

向量输入,向量输出

R中比较常见的操作就是向量间运算,尤其R还会自动补齐。自动补齐某些时候会造成一些问题,但是C++不存在这个问题。我们可以写一个RCPP的+函数

cppFunction('NumericVector addC(NumericVector x, NumericVector y){
  int xn = x.size();
  int yn = y.size();
  
  if (xn != yn){
    stop("input should be same length");
  }
  NumericVector out(xn);
  for(int i=0; i< xn; ++i){
    out[i] = x[i] + y[i];
  }
  return out;
}')

x <- runif(1e6)
y <- runif(1e6)
microbenchmark(addC(x,y),
               x+y)

矩阵输入,向量输出

每个向量类型都有矩阵等价类,NumericMatrix, IntegerMatirx, CharacterMatirx, LogicalMatirx. 让我们尝试写一个rowSums()函数

cppFunction('NumericVector rowSumsC(NumericMatrix x){
  int nrow = x.nrow(), ncol = x.ncol();
  NumericVector out(nrow);
  
  for(int i = 0; i < nrow; i++){
    double total =0;
    for(int j =0; j< ncol; j++){
      total += x(i,j);
    }
    out[i] = total;
  }
  return out;
}')
set.seed(1024)
x <- matrix(sample(100), nrow = 10)
rowSumsC(x)

这里注意有两点不同,在C++中,你用()对矩阵取值,而不是[]

尽管看起来C++的代码运行起来比R语言快多了,比如说R要一分钟,RCPP只要一秒,但是如果算上我们写代码的时间和调试代码的时间,刚开始不熟练估计要10分钟,那么总体来看,还是直接上手写R代码比较合适。

但是如果有一些代码要不断复用,那么写C++代码还是很划算。这个时候就建议将代码写到专门的文本中,用sourceCpp()加载,而不是cppFunction()函数

在Rsutdio中可以创建一个C++模板文件,代码写完之后还可以进行debug。

创建模板

比如说在里面写上面的rowSumsC函数,分为如下几个部分

导入头文件,加载Rcpp到命名空间中,类似于library()

#include <Rcpp.h>
using namespace Rcpp;

使用// [[Rcpp::export]]说明这里的函数会被R使用

// [[Rcpp::export]]
NumericVector rowSumsC(NumericMatrix x){
  int ncol = x.ncol(), nrow = x.nrow();
  NumericVector out(nrow);
  
  for (int i =0; i < nrow; i++ ){
    double total = 0;
    for (int j =0 ;j < ncol; j++){
      total += x(i,j);
    }
    out[i] = total;
  }
  return out;
}

下面部分会在sourceCpp()加载后自动运行

/*** R
library(microbenchmark)
set.seed(1014)
x <- matrix(sample(100), 10)
microbenchmark(
  rowSumsC(x),
  Matrix::rowSums(x)
)
*/

将文件保存成rowSumsC.cpp, 之后在R里用sourceCpp(file = "rowSumsC.cpp")

# R  C/C++ 

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