MATLAB程序运行速度优化技巧

文中的代码测试环境为MATLAB R2019a,CPU为Intel 8700,睿频至4.3GHz。

1.预分配内存

对于MATLAB新手来说,这是最容易犯的错误之一。

MATLAB中的数组在使用之前不需要明确地定义和指定维数。当赋值的元素下标超出现有的维数时,MATLAB 就为该数组或矩阵扩维一次,这样就会大大降低程序的执行效率。因此,在循环前,预分配内存,可以有效提高程序执行速度。


function test
fprintf('f1     is finished in %.4f second.\n',timeit(@f1));
fprintf('f1_pro is finished in %.4f second.\n',timeit(@f1_pro));
% f1     is finished in 3.0272 second.
% f1_pro is finished in 0.0571 second.
end

function A = f1
for ii = 1:1e3
    for jj = 1:1e4
        A(ii,jj) = ii + jj;
    end
end
end

function B = f1_pro
B = zeros(1e3,1e4);
for ii = 1:1e3
    for jj = 1:1e4
        B(ii,jj) = ii + jj;
    end
end
end

这种低级错误在循环次数很大时,运行时间会成倍增长。

2.优先使用built-in函数

MATLAB大部分内置函数是m文件,本身也是MATLAB程序,执行效率较低。但有一部分底层的基本函数是built-in函数,执行效率更高,如sum、max、find、exp、fft等等,优先使用built-in函数能够获得更快的执行速度。

一个例子是sum和mean函数,求数组平均值时,sum之后除以数组长度比直接调用mean函数快。


function test
A = randn(1e4,1e5);
fprintf('f2     is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f2(A)));
fprintf('f2_pro is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f2_pro(A)));
%f2     is finished in 0.4895 second.
%f2_pro is finished in 0.4875 second.
end

function [B,C] = f2(A)
B = mean(A,1);
C = mean(A,2);
end

function [B,C] = f2_pro(A)
B = sum(A,1)/size(A,1);
C = sum(A,2)/size(A,2);
end

判断一个函数是否是built-in function最直接的手段就是执行edit命令,如


edit exp

编辑器会打开exp.m文件,里面没有代码,只有注释,清楚的写明这是一个built-in函数。


3.列优先

MATLAB继承了Fortan按列储存的特点,意味着按列计算时,内存命中率更高,速度更快。


function test
A = randn(1e4,1e4);
fprintf('f3     is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f3(A)));
fprintf('f3_pro is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f3_pro(A)));
% f3     is finished in 0.7349 second.
% f3_pro is finished in 0.3419 second.
end

function B = f3(A)
B = fft(A,[],2);
end

function B = f3_pro(A)
B = fft(A,[],1);
end

上述例子中,对矩阵按列做fft,比按行做fft快一倍。

4.使用局部函数

MATLAB调用函数时,需要搜索该函数并进行匹配,搜索的优先级按照如下:

  • 变量
  • import导入的包函数
  • 当前函数内的嵌套函数
  • 当前文件内的局部函数
  • 私有函数
  • 对象函数
  • @文件夹中的类构造函数
  • 加载的 Simulink模型
  • 当前文件夹中的函数
  • 路径中其他位置的函数

可以看到,搜索时,文件夹内的函数优先级时很低的,如果改用局部函数,则会更快地搜索该函数。


function test
A = randn(1e4,1e4);
fprintf('f4     is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f4(A)));
fprintf('f4_pro is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f4_pro(A)));

% f4     is finished in 4.2265 second.
% f4_pro is finished in 2.4430 second.

end

function B = f4(A)
for ii = 1:size(A,1)
    for jj = 1:size(A,2)
        B = myFun(A(ii,jj)); %myFun函数与localFun函数内容一致,但位于文件夹内的myFun.m中
    end
end
end

function B = f4_pro(A)
for ii = 1:size(A,1)
    for jj = 1:size(A,2)
        B = localFun(A(ii,jj)); 
    end
end
end

function y= localFun(x)
y = abs(x);
end

5.稀疏矩阵

一个矩阵中,如果只有少量的非0值,则可以将其用稀疏矩阵来表示。稀疏矩阵仅记录了矩阵中的非0值。当矩阵的稀疏度足够大时,将矩阵转化成稀疏矩阵,可以降低内存占用空间,同时减少计算量。


function test
A = diag(1:1e4);   % A占用内存约800MB
fprintf('f5 (full matrix)   is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f5(A)));
B = sparse(A);     % B占用内存约240KB
fprintf('f5 (sparse matrix) is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f5(B)));

% f5 (full matrix)   is finished in 0.0246 second.
% f5 (sparse matrix) is finished in 0.0000 second.

end

注意:若矩阵的稀疏度不大,强行转换成稀疏矩阵反而会导致内存占用空间变大,执行效率降低。

6.向量化编程

在新版本的MATLAB中,for循环的执行效率得到很大的提高,但是对于在for循环中进行一些复杂的操作,比如在for循环中改变数组的维数,向量化仍是提升MATLAB执行效率的有效手段。

这里举一个例子,有一个1e6*1的数组A,现在需要去掉数组中索引为1e3的倍数的数,形成一个9.99e5*1的数组。


function test
A = randn(1e6,1);
fprintf('f6     is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f6(A)));
fprintf('f6_pro is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f6_pro(A)));

% f6     is finished in 4.7358 second.
% f6_pro is finished in 0.0049 second.

end

function A = f6(A)
for ii = 1:numel(A)/1000
    A(ii*999+1) = [];
end
end
% 时间已过 5.909668 秒

function A = f6_pro(A)
A = reshape(A,1000,[]);
A(end,:) = [];
A = A(:);
end

更新:为何不直接写成A(1e3:1e3:end)=[]的形式,主要是因为MATLAB对大数索引的效率比较低。这里也做一个对比。


function test
A = randn(1e8,1);
fprintf('f6_pro   is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f6_pro(A)));
fprintf('f6_extra is finished in %.4f second.\n',timeit(@()f6_extra(A)));

% f6_pro   is finished in 0.5674 second.
% f6_extra is finished in 0.8525 second.

end

function A = f6_pro(A)
A = reshape(A,1000,[]);
A(end,:) = [];
A = A(:);
end

function A = f6_extra(A)
A(1e3:1e3:end) = [];
end


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