10 分钟入门 Mars DataFrame¶
本页面是一个对 Mars DataFrame 的简短介绍，内容修改自 10 分钟入门 pandas 。
如果没有说明，我们默认导入下面的包：
In [1]: import mars
In [2]: import mars.tensor as mt
In [3]: import mars.dataframe as md
Now create a new default session.
In [4]: mars.new_session()
Out[4]: <mars.deploy.oscar.session.SyncSession at 0x7fe4d4f98750>
创建对象¶
通过传入一个包含值的 list 来创建 Series 实例，并使用默认的整数索引：
In [5]: s = md.Series([1, 3, 5, mt.nan, 6, 8])
In [6]: s.execute()
Out[6]:
0 1.0
1 3.0
2 5.0
3 NaN
4 6.0
5 8.0
dtype: float64
通过一个 Mars Tensor 来创建 DataFrame 实例，并使用时间日期索引和列标签：
In [7]: dates = md.date_range('20130101', periods=6)
In [8]: dates.execute()
Out[8]:
DatetimeIndex(['2013-01-01', '2013-01-02', '2013-01-03', '2013-01-04',
'2013-01-05', '2013-01-06'],
dtype='datetime64[ns]', freq='D')
In [9]: df = md.DataFrame(mt.random.randn(6, 4), index=dates, columns=list('ABCD'))
In [10]: df.execute()
Out[10]:
A B C D
2013-01-01 1.412017 -0.554218 -0.451698 -0.252697
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
2013-01-04 -0.193273 2.257459 -1.585041 1.988809
2013-01-05 -1.571142 0.024244 0.808123 -0.586183
2013-01-06 0.772598 0.506155 1.325717 1.356965
通过值可转换为序列的字典来创建 DataFrame 实例：
In [11]: df2 = md.DataFrame({'A': 1.,
....: 'B': md.Timestamp('20130102'),
....: 'C': md.Series(1, index=list(range(4)), dtype='float32'),
....: 'D': mt.array([3] * 4, dtype='int32'),
....: 'E': 'foo'})
....:
In [12]: df2.execute()
Out[12]:
A B C D E
0 1.0 2013-01-02 1.0 3 foo
1 1.0 2013-01-02 1.0 3 foo
2 1.0 2013-01-02 1.0 3 foo
3 1.0 2013-01-02 1.0 3 foo
最终生成的 DataFrame 中，每列的类型均不相同。
In [13]: df2.dtypes
Out[13]:
A float64
B datetime64[ns]
C float32
D int32
E object
dtype: object
查看数据¶
下面是显示 DataFrame 中开头和结尾若干行的方法：
In [14]: df.head().execute()
Out[14]:
A B C D
2013-01-01 1.412017 -0.554218 -0.451698 -0.252697
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
2013-01-04 -0.193273 2.257459 -1.585041 1.988809
2013-01-05 -1.571142 0.024244 0.808123 -0.586183
In [15]: df.tail(3).execute()
Out[15]:
A B C D
2013-01-04 -0.193273 2.257459 -1.585041 1.988809
2013-01-05 -1.571142 0.024244 0.808123 -0.586183
2013-01-06 0.772598 0.506155 1.325717 1.356965
显示索引和列：
In [16]: df.index.execute()
Out[16]:
DatetimeIndex(['2013-01-01', '2013-01-02', '2013-01-03', '2013-01-04',
'2013-01-05', '2013-01-06'],
dtype='datetime64[ns]', freq='D')
In [17]: df.columns.execute()
Out[17]: Index(['A', 'B', 'C', 'D'], dtype='object')
DataFrame.to_tensor() 将 DataFrame 中的数据转换为 Mars Tensor 表示。注意当 DataFrame 中的列类型不同时，该操作可能代价很高。这也揭示了 DataFrame 和 Tensor 之间一项最基本的差异：在 Tensor 中，对于整个 Tensor 对象只有一个 dtype，但 DataFrame 对每列都有一个 dtype。当调用 DataFrame.to_tensor() 时，Mars DataFrame 将会找出一个可存储 DataFrame 中 所有 对象的 dtype，这可能是一个 object，并将导致 DataFrame 中的每个值都被转换为一个 Python 对象。
在上面的 df 对象中，DataFrame 实例中的值均为浮点数，因而 DataFrame.to_tensor() 执行速度会很快，且不需要数据复制。
In [18]: df.to_tensor().execute()
Out[18]:
array([[ 1.41201735, -0.55421774, -0.45169827, -0.25269671],
[-1.79002771, -0.42063362, -1.48476493, -0.21568569],
[ 0.75056378, -0.91903818, -1.87820329, -0.09504916],
[-0.19327307, 2.2574586 , -1.58504081, 1.98880923],
[-1.57114237, 0.02424373, 0.80812344, -0.58618348],
[ 0.77259783, 0.50615466, 1.32571731, 1.35696479]])
而对于 df2 对象，DataFrame 实例中有不同的数据类型，因而 DataFrame.to_tensor() 执行代价就相对较高了。
In [19]: df2.to_tensor().execute()
Out[19]:
array([[1.0, Timestamp('2013-01-02 00:00:00'), 1.0, 3, 'foo'],
[1.0, Timestamp('2013-01-02 00:00:00'), 1.0, 3, 'foo'],
[1.0, Timestamp('2013-01-02 00:00:00'), 1.0, 3, 'foo'],
[1.0, Timestamp('2013-01-02 00:00:00'), 1.0, 3, 'foo']],
dtype=object)
注解
DataFrame.to_tensor() 在输出结果中 不保留 索引或列标签。
describe() 将会为你的数据显示一份简单的统计摘要：
In [20]: df.describe().execute()
Out[20]:
A B C D
count 6.000000 6.000000 6.000000 6.000000
mean -0.103211 0.148995 -0.544311 0.366026
std 1.326663 1.144415 1.347702 1.044594
min -1.790028 -0.919038 -1.878203 -0.586183
25% -1.226675 -0.520822 -1.559972 -0.243444
50% 0.278645 -0.198195 -0.968232 -0.155367
75% 0.767089 0.385677 0.493168 0.993961
max 1.412017 2.257459 1.325717 1.988809
按坐标排序：
In [21]: df.sort_index(axis=1, ascending=False).execute()
Out[21]:
D C B A
2013-01-01 -0.252697 -0.451698 -0.554218 1.412017
2013-01-02 -0.215686 -1.484765 -0.420634 -1.790028
2013-01-03 -0.095049 -1.878203 -0.919038 0.750564
2013-01-04 1.988809 -1.585041 2.257459 -0.193273
2013-01-05 -0.586183 0.808123 0.024244 -1.571142
2013-01-06 1.356965 1.325717 0.506155 0.772598
按值排序：
In [22]: df.sort_values(by='B').execute()
Out[22]:
A B C D
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
2013-01-01 1.412017 -0.554218 -0.451698 -0.252697
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-05 -1.571142 0.024244 0.808123 -0.586183
2013-01-06 0.772598 0.506155 1.325717 1.356965
2013-01-04 -0.193273 2.257459 -1.585041 1.988809
选择数据¶
注解
尽管在交互式分析场景下，使用标准的 Python / Numpy 表达式选择和设置 DataFrame 数据非常自然且便于使用，但对生产代码，我们推荐使用经过优化的数据访问方法，即 .at、.iat、.loc 和 .iloc。
获取数据¶
选择一列，将返回一个 Series 实例。这一操作等价于 df.A ：
In [23]: df['A'].execute()
Out[23]:
2013-01-01 1.412017
2013-01-02 -1.790028
2013-01-03 0.750564
2013-01-04 -0.193273
2013-01-05 -1.571142
2013-01-06 0.772598
Freq: D, Name: A, dtype: float64
通过 [] 选择数据，将在行中选取。
In [24]: df[0:3].execute()
Out[24]:
A B C D
2013-01-01 1.412017 -0.554218 -0.451698 -0.252697
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
In [25]: df['20130102':'20130104'].execute()
Out[25]:
A B C D
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
2013-01-04 -0.193273 2.257459 -1.585041 1.988809
按标签选择数据¶
通过行标签选择一行数据：
In [26]: df.loc['20130101'].execute()
Out[26]:
A 1.412017
B -0.554218
C -0.451698
D -0.252697
Name: 2013-01-01 00:00:00, dtype: float64
在特定坐标上指定标签：
In [27]: df.loc[:, ['A', 'B']].execute()
Out[27]:
A B
2013-01-01 1.412017 -0.554218
2013-01-02 -1.790028 -0.420634
2013-01-03 0.750564 -0.919038
2013-01-04 -0.193273 2.257459
2013-01-05 -1.571142 0.024244
2013-01-06 0.772598 0.506155
在多个坐标上指定标签，带有这些标签的 所有数据 均会被选取：
In [28]: df.loc['20130102':'20130104', ['A', 'B']].execute()
Out[28]:
A B
2013-01-02 -1.790028 -0.420634
2013-01-03 0.750564 -0.919038
2013-01-04 -0.193273 2.257459
在特定坐标上降低返回对象的维度：
In [29]: df.loc['20130102', ['A', 'B']].execute()
Out[29]:
A -1.790028
B -0.420634
Name: 2013-01-02 00:00:00, dtype: float64
获得一个常量：
In [30]: df.loc['20130101', 'A'].execute()
Out[30]: 1.412017348925692
快速获取一个常数（和前述方法等价）：
In [31]: df.at['20130101', 'A'].execute()
Out[31]: 1.412017348925692
按位置选择¶
通过传入的整数选择相应位置的数据：
In [32]: df.iloc[3].execute()
Out[32]:
A -0.193273
B 2.257459
C -1.585041
D 1.988809
Name: 2013-01-04 00:00:00, dtype: float64
通过整数切片来选择数据，与 Numpy / Python 行为一致：
In [33]: df.iloc[3:5, 0:2].execute()
Out[33]:
A B
2013-01-04 -0.193273 2.257459
2013-01-05 -1.571142 0.024244
通过整数列表选择相应位置的数据，与 Numpy / Python 行为一致：
In [34]: df.iloc[[1, 2, 4], [0, 2]].execute()
Out[34]:
A C
2013-01-02 -1.790028 -1.484765
2013-01-03 0.750564 -1.878203
2013-01-05 -1.571142 0.808123
显示对行切片：
In [35]: df.iloc[1:3, :].execute()
Out[35]:
A B C D
2013-01-02 -1.790028 -0.420634 -1.484765 -0.215686
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
显示对列切片：
In [36]: df.iloc[:, 1:3].execute()
Out[36]:
B C
2013-01-01 -0.554218 -0.451698
2013-01-02 -0.420634 -1.484765
2013-01-03 -0.919038 -1.878203
2013-01-04 2.257459 -1.585041
2013-01-05 0.024244 0.808123
2013-01-06 0.506155 1.325717
显示获取某个位置的常数：
In [37]: df.iloc[1, 1].execute()
Out[37]: -0.4206336194215302
快速获取一个常数（和前述方法等价）：
In [38]: df.iat[1, 1].execute()
Out[38]: -0.4206336194215302
布尔索引¶
使用一行布尔值选择数据：
In [39]: df[df['A'] > 0].execute()
Out[39]:
A B C D
2013-01-01 1.412017 -0.554218 -0.451698 -0.252697
2013-01-03 0.750564 -0.919038 -1.878203 -0.095049
2013-01-06 0.772598 0.506155 1.325717 1.356965
从 DataFrame 选择满足某个布尔条件的值：
In [40]: df[df > 0].execute()
Out[40]:
A B C D
2013-01-01 1.412017 NaN NaN NaN
2013-01-02 NaN NaN NaN NaN
2013-01-03 0.750564 NaN NaN NaN
2013-01-04 NaN 2.257459 NaN 1.988809
2013-01-05 NaN 0.024244 0.808123 NaN
2013-01-06 0.772598 0.506155 1.325717 1.356965
数据操作¶
统计¶
除缺失值外的常见操作：
计算描述统计值：
In [41]: df.mean().execute()
Out[41]:
A -0.103211
B 0.148995
C -0.544311
D 0.366026
dtype: float64
在另一条坐标轴上进行相同的操作：
In [42]: df.mean(1).execute()
Out[42]:
2013-01-01 0.038351
2013-01-02 -0.977778
2013-01-03 -0.535432
2013-01-04 0.616988
2013-01-05 -0.331240
2013-01-06 0.990359
Freq: D, dtype: float64
在维度不同的对象上进行操作，这需要进行对齐。此外，Mars DataFrame 会自动在给定的坐标轴上对数据进行广播操作。
In [43]: s = md.Series([1, 3, 5, mt.nan, 6, 8], index=dates).shift(2)
In [44]: s.execute()
Out[44]:
2013-01-01 NaN
2013-01-02 NaN
2013-01-03 1.0
2013-01-04 3.0
2013-01-05 5.0
2013-01-06 NaN
Freq: D, dtype: float64
In [45]: df.sub(s, axis='index').execute()
Out[45]:
A B C D
2013-01-01 NaN NaN NaN NaN
2013-01-02 NaN NaN NaN NaN
2013-01-03 -0.249436 -1.919038 -2.878203 -1.095049
2013-01-04 -3.193273 -0.742541 -4.585041 -1.011191
2013-01-05 -6.571142 -4.975756 -4.191877 -5.586183
2013-01-06 NaN NaN NaN NaN
应用函数¶
在数据上应用函数：
In [46]: df.apply(lambda x: x.max() - x.min()).execute()
Out[46]:
A 3.202045
B 3.176497
C 3.203921
D 2.574993
dtype: float64
字符串方法¶
如同下面的例子展示的那样，Series 对象通过 str 属性提供了一系列字符串操作方法以便于操作每一个元素。注意通过 str 进行的模式匹配通常会默认（在某些情形下会一直）用到 正则表达式 。更多的信息可在 向量化字符串方法 中查看。
In [47]: s = md.Series(['A', 'B', 'C', 'Aaba', 'Baca', mt.nan, 'CABA', 'dog', 'cat'])
In [48]: s.str.lower().execute()
Out[48]:
0 a
1 b
2 c
3 aaba
4 baca
5 NaN
6 caba
7 dog
8 cat
dtype: object
数据合并¶
拼接¶
Mars DataFrame 提供一系列的方法方便地将 Series 和 DataFrame 对象连接到一起。这些方法基于一系列在索引上的集合逻辑以及关系代数上的功能来实现 Join / 合并这样的操作。
通过 concat(): 拼接 DataFrame 对象：
In [49]: df = md.DataFrame(mt.random.randn(10, 4))
In [50]: df.execute()
Out[50]:
0 1 2 3
0 1.180390 -0.719903 1.048941 0.292771
1 -0.930417 -0.934486 0.077658 1.162129
2 -3.106442 -1.099464 1.480946 1.133862
3 0.163955 0.958747 -0.944904 -0.886258
4 -0.335220 1.270313 -0.877693 0.530139
5 1.273112 -2.752560 0.970565 1.849547
6 -0.606710 0.728535 -0.246217 2.162382
7 0.734234 -0.167175 -1.354347 0.571379
8 -0.194103 -1.933212 -0.394510 -0.580846
9 1.985072 -0.028173 0.719904 -1.446818
# break it into pieces
In [51]: pieces = [df[:3], df[3:7], df[7:]]
In [52]: md.concat(pieces).execute()
Out[52]:
0 1 2 3
0 1.180390 -0.719903 1.048941 0.292771
1 -0.930417 -0.934486 0.077658 1.162129
2 -3.106442 -1.099464 1.480946 1.133862
3 0.163955 0.958747 -0.944904 -0.886258
4 -0.335220 1.270313 -0.877693 0.530139
5 1.273112 -2.752560 0.970565 1.849547
6 -0.606710 0.728535 -0.246217 2.162382
7 0.734234 -0.167175 -1.354347 0.571379
8 -0.194103 -1.933212 -0.394510 -0.580846
9 1.985072 -0.028173 0.719904 -1.446818
Join¶
SQL 样式的数据合并。参考 Database style joining 章节以获取更多信息。
In [53]: left = md.DataFrame({'key': ['foo', 'foo'], 'lval': [1, 2]})
In [54]: right = md.DataFrame({'key': ['foo', 'foo'], 'rval': [4, 5]})
In [55]: left.execute()
Out[55]:
key lval
0 foo 1
1 foo 2
In [56]: right.execute()
Out[56]:
key rval
0 foo 4
1 foo 5
In [57]: md.merge(left, right, on='key').execute()
Out[57]:
key lval rval
0 foo 1 4
1 foo 1 5
2 foo 2 4
3 foo 2 5
另一个可供参考的例子如下：
In [58]: left = md.DataFrame({'key': ['foo', 'bar'], 'lval': [1, 2]})
In [59]: right = md.DataFrame({'key': ['foo', 'bar'], 'rval': [4, 5]})
In [60]: left.execute()
Out[60]:
key lval
0 foo 1
1 bar 2
In [61]: right.execute()
Out[61]:
key rval
0 foo 4
1 bar 5
In [62]: md.merge(left, right, on='key').execute()
Out[62]:
key lval rval
0 foo 1 4
1 bar 2 5
分组¶
当提到“分组”时，我们指的是下面一个或多个步骤组成的过程：
拆分 ：根据某些条件将数据拆分成组
应用函数 ：对每一组数据分别应用某个函数
合并 ：将结果合并为一组数据
In [63]: df = md.DataFrame({'A': ['foo', 'bar', 'foo', 'bar',
....: 'foo', 'bar', 'foo', 'foo'],
....: 'B': ['one', 'one', 'two', 'three',
....: 'two', 'two', 'one', 'three'],
....: 'C': mt.random.randn(8),
....: 'D': mt.random.randn(8)})
....:
In [64]: df.execute()
Out[64]:
A B C D
0 foo one 1.726558 0.435571
1 bar one -1.373962 -0.057183
2 foo two -0.213201 -0.614185
3 bar three 0.804093 -0.282299
4 foo two 2.540450 1.094992
5 bar two 1.248017 0.738371
6 foo one 0.959282 1.966993
7 foo three 0.437885 -0.467498
分组，然后在结果上执行 sum() 函数。
In [65]: df.groupby('A').sum().execute()
Out[65]:
C D
A
bar 0.678148 0.398889
foo 5.450974 2.415873
我们也可以利用多列进行分组，这将形成一个多重索引。在此结果上，我们也可以执行 sum 函数。
In [66]: df.groupby(['A', 'B']).sum().execute()
Out[66]:
C D
A B
bar one -1.373962 -0.057183
three 0.804093 -0.282299
two 1.248017 0.738371
foo one 2.685840 2.402564
three 0.437885 -0.467498
two 2.327250 0.480807
绘图¶
我们使用标准的约定来引用 matplotlib API：
In [67]: import matplotlib.pyplot as plt
In [68]: plt.close('all')
In [69]: ts = md.Series(mt.random.randn(1000),
....: index=md.date_range('1/1/2000', periods=1000))
....:
In [70]: ts = ts.cumsum()
In [71]: ts.plot()
Out[71]: <AxesSubplot:>
在 DataFrame 中， plot() 方法可用于方便地绘制带有标签的行数据：
In [72]: df = md.DataFrame(mt.random.randn(1000, 4), index=ts.index,
....: columns=['A', 'B', 'C', 'D'])
....:
In [73]: df = df.cumsum()
In [74]: plt.figure()
Out[74]: <Figure size 640x480 with 0 Axes>
In [75]: df.plot()
Out[75]: <AxesSubplot:>
In [76]: plt.legend(loc='best')
Out[76]: <matplotlib.legend.Legend at 0x7fe4d82b4d90>
读取和写入数据¶
CSV¶
In [77]: df.to_csv('foo.csv').execute()
Out[77]:
Empty DataFrame
Columns: []
Index: []
In [78]: md.read_csv('foo.csv').execute()
Out[78]:
Unnamed: 0 A B C D
0 2000-01-01 0.756979 -0.769615 1.361475 0.096869
1 2000-01-02 1.028723 -0.938608 1.148115 -1.550151
2 2000-01-03 1.543181 -2.472970 -0.804595 -1.274593
3 2000-01-04 -0.372346 -2.582313 -1.272019 0.226446
4 2000-01-05 -2.428429 -3.045107 1.413049 -0.212051
.. ... ... ... ... ...
995 2002-09-22 5.360685 -48.995364 5.076294 -45.612237
996 2002-09-23 5.026302 -47.895993 5.048652 -46.101604
997 2002-09-24 4.278561 -47.133649 4.464556 -46.150673
998 2002-09-25 4.234906 -47.820253 7.102716 -47.075488
999 2002-09-26 5.465935 -47.717376 9.251610 -46.574612
[1000 rows x 5 columns]