python - 如何构建Python程序？尝试使其更加结构化，现在运行速度慢了 13 倍

Question

我对编程非常陌生，我为一个学校项目编写了一个简单的程序，并希望通过不仅仅是让程序成为一个巨大的函数，而是由多个具有单一目的的较小函数组成来使代码“更漂亮” 。我似乎彻底搞砸了，因为程序现在运行速度慢了 13 倍。我应该如何构建程序以使其运行得更快并且总体上使程序更易于编写、阅读和编辑？

这是两个程序:

第一个程序(引用值运行在 ≈0:20):

import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt

def graf(a,b,H,p):
    GM =  39.5216489684
    x_0 = a + np.sqrt(a**2 - b**2)
    v_0 = np.sqrt(GM*(2/x_0 - 1/a))
    konstant_period = np.sqrt(a**3)*H
    h = 1/H

    '''starting position given by an elliptic orbit '''
    stor_x_lista = [x_0]
    stor_y_lista = [0]

    hastighet_x = [0]
    hastighet_y = [v_0]

    liten_x_lista = []
    liten_y_lista = []

    ''' a loop that approximates the points of the orbit'''

    t = 0
    tid_lista = []
    n = 0
    while n < konstant_period:
        hastighet_x.append(hastighet_x[n] - h*GM* stor_x_lista[n]/(np.sqrt(stor_x_lista[n]**2 + stor_y_lista[n]**2))**3)
        stor_x_lista.append(stor_x_lista[n] + h*hastighet_x[n])

        hastighet_y.append(hastighet_y[n] - h*GM*stor_y_lista[n]/(np.sqrt(stor_x_lista[n]**2 + stor_y_lista[n]**2))**3)
        stor_y_lista.append(stor_y_lista[n] + h*hastighet_y[n])

    '''smaller list of points to run faster'''
    if n % p == 0:
            liten_x_lista.append(stor_x_lista[n])
            liten_y_lista.append(stor_y_lista[n])
            tid_lista.append(t)

    n += 1    
    t += h 
    ''' function that finds the angle'''
    vinkel = []
    siffra = 0
    while siffra < len(liten_x_lista):
        if liten_y_lista[siffra ] >= 0:
            vinkel.append( np.arccos( liten_x_lista[siffra]/np.sqrt( liten_x_lista[siffra]**2 + liten_y_lista[siffra]**2)))
            siffra += 1

        elif liten_y_lista[siffra] < 0 :
            vinkel.append( np.pi + np.arccos( -liten_x_lista[siffra]/np.sqrt( liten_x_lista[siffra]**2 + liten_y_lista[siffra]**2) ))
            siffra += 1

    '''get rid of line to find periodic function'''
    mod_lista = []

    modn = 0
    while modn < len(vinkel):
        mod_lista.append(vinkel[modn] - (2*np.pi*tid_lista[modn])/np.sqrt(a**3))
        modn += 1

    '''make all inputs have period 1'''
    squeeze_tid = []
    squeezen = 0
    while squeezen < len(tid_lista):
        squeeze_tid.append(tid_lista[squeezen]/np.sqrt(a**3))
        squeezen += 1

    del mod_lista[-1:]
    del tid_lista[-1:]
    del squeeze_tid[-1:]

    plt.plot(squeeze_tid,mod_lista)  
    plt.title('p(t) där a = ' + str(a) + ' och b = ' + str(b))
    plt.show               

第二个分割程序(引用值运行于 ≈4:20):

import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt

'''function that generates the points of the orbit'''
def punkt(a,b,H,p):
    GM =  39.5216489684
    x_0 = a + np.sqrt(a**2 - b**2)
    v_0 = np.sqrt(GM*(2/x_0 - 1/a))
    konstant_period = np.sqrt(a**3)*H
    h = 1/H

    '''starting position given by an elliptic orbit '''
    stor_x_lista = [x_0]
    stor_y_lista = [0]

    hastighet_x = [0]
    hastighet_y = [v_0]

    liten_x_lista = []
    liten_y_lista = []

    ''' a loop that approximates the points of the orbit'''
    t = 0
    tid_lista = []
    n = 0
    while n < konstant_period:
        hastighet_x.append(hastighet_x[n] - h*GM* stor_x_lista[n]/(np.sqrt(stor_x_lista[n]**2 + stor_y_lista[n]**2))**3)
        stor_x_lista.append(stor_x_lista[n] + h*hastighet_x[n])

        hastighet_y.append(hastighet_y[n] - h*GM*stor_y_lista[n]/(np.sqrt(stor_x_lista[n]**2 + stor_y_lista[n]**2))**3)
        stor_y_lista.append(stor_y_lista[n] + h*hastighet_y[n])


        '''smaller list of points to run faster'''
        if n % p == 0:
            liten_x_lista.append(stor_x_lista[n])
            liten_y_lista.append(stor_y_lista[n])
            tid_lista.append(t)

        n += 1    
        t += h 

    return (liten_x_lista,liten_y_lista,tid_lista)

''' function that finds the angle'''

def vinkel(a,b,H,p):
    '''import lists'''
    liten_x_lista = punkt(a,b,H,p)[0]
    liten_y_lista = punkt(a,b,H,p)[1]
    tid_lista = punkt(a,b,H,p)[2]

    '''find the angle'''
    vinkel_lista = []
    siffra = 0
    while siffra < len(liten_x_lista):
        if liten_y_lista[siffra ] >= 0:
            vinkel_lista.append( np.arccos( liten_x_lista[siffra]/np.sqrt( liten_x_lista[siffra]**2 + liten_y_lista[siffra]**2)))
            siffra += 1

        elif liten_y_lista[siffra] < 0 :
            vinkel_lista.append( np.pi + np.arccos( -liten_x_lista[siffra]/np.sqrt( liten_x_lista[siffra]**2 + liten_y_lista[siffra]**2) ))
            siffra += 1
    return (vinkel_lista, tid_lista)

def periodisk(a,b,H,p):
    '''import lists'''
    tid_lista = vinkel(a,b,H,p)[1]
    vinkel_lista = vinkel(a,b,H,p)[0]

    '''get rid of linear line to find p(t)'''
    mod_lista = []

    modn = 0
    while modn < len(vinkel_lista):
        mod_lista.append((vinkel_lista[modn] - (2*np.pi*tid_lista[modn])/np.sqrt(a**3)))
        modn += 1

    '''make all inputs have period 1'''
    squeeze_tid = []
    squeezen = 0
    while squeezen < len(tid_lista):
        squeeze_tid.append(tid_lista[squeezen]/np.sqrt(a**3))
        squeezen += 1

    del mod_lista[-1:]
    del tid_lista[-1:]
    del squeeze_tid[-1:]

    return (squeeze_tid,mod_lista)

'''fixa 3d-punkt av p(a,b) a är konstant b varierar??? '''

def hitta_amp(a):
    x_b = []
    y_b = []
    n_b = 0.1
    while n_b <= a: 
        x_b.append(n_b)        
        y_b.append(punkt(a,n_b,10**5,10**3))

    return 0

def graf(a,b,H,p):
    plt.plot(periodisk(a,b,H,p)[0],periodisk(a,b,H,p)[1])
    plt.show

我认为问题在于程序多次运行相同的、缓慢的代码，而不是只运行一次然后访问数据。问题是一切都在本地完成，没有任何内容存储在全局中，还是其他原因？需要注意的是，我对编程唯一了解的是基本语法，我不知道如何实际编写和运行程序。我在spyder中运行了所有代码，如果这会影响任何内容。

Answer 1

plt.plot(periodisk(a,b,H,p)[0],periodisk(a,b,H,p)[1])

此代码使用相同的参数运行 periodisk 两次，因此此时我们知道运行速度至少慢了两倍。

您应该执行some_var = periodisk(a,b,H,p)，然后执行some_var[0], some_var[1]。或者直接使用解包:

plt.plot(*periodisk(a,b,H,p))

<小时/>

tid_lista = vinkel(a,b,H,p)[1]
vinkel_lista = vinkel(a,b,H,p)[0]

再次执行相同的操作两次(总计:4*(当前)vinkel 函数的时间)。再次，智能分配来解决这个问题:

vinkel_lista, tid_lista = vinkel(a,b,H,p)

<小时/>

liten_x_lista = punkt(a,b,H,p)[0]
liten_y_lista = punkt(a,b,H,p)[1]
tid_lista = punkt(a,b,H,p)[2]

现在你重复了三次。 (总计:12 * 当前 punkt 功能的时间)

liten_x_lista, liten_y_lista, tid_lista = punkt(a,b,H,p)

<小时/>

punkt 函数与原始函数类似，因此我们到达的速度总共慢了 12 倍 - 这与您的时间估计完全相符。 :)