• 2024年3月4日
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量化人如何用好Jupyter环境？（一）

网上有很多jupyter的使用技巧。但我相信，这篇文章会让你全面涨姿势。很多用法，你应该没见过。

• 显示多个对象值
• 魔法：%precision %psource %lsmagic %quickref等
• vscode中的interactive window

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1. 魔法命令

几乎每一个使用过Jupyter Notebook的人，都会注意到它的魔法(magic)功能。具体来说，它是一些适用于整个单元格、或者某一行的魔术指令。

比如，我们常常会好奇，究竟是pandas的刀快，还是numpy的剑更利。在量化中，我们常常需要寻找一组数据的某个分位数。在numpy中，有percentile方法，quantile则是她的pandas堂姊妹。要不，我们就让这俩姐妹比一比身手好了。有一个叫timeit的魔法，就能完成这任务。

不过，我们先得确定她们是否真有可比性。

import numpy as np
import pandas as pd

array = np.random.normal(size=1_000_000)
series = pd.Series(array)

print(np.percentile(array, 95))
series.quantile(0.95)

两次输出的结果都是一样，说明这两个函数确实是有可比性的。

在上面的示例中，要显示两个对象的值，我们只对前一个使用了print函数，后一个则省略掉了。这是notebook的一个功能，它会默认地显示单元格最后输出的对象值。这个功能很不错，要是把这个语法扩展到所有的行就更好了。

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不用对神灯许愿，这个功能已经有了！只要进行下面的设置：

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"

在一个单独的单元格里，运行上面的代码，之后，我们就可以省掉print:

import numpy as np
import pandas as pd

array = np.random.normal(size=1_000_000)
series = pd.Series(array)

# 这一行会输出一个浮点数
np.percentile(array, 95)

# 这一行也会输出一个浮点数
series.quantile(0.95)

这将显示出两行一样的数值。这是今天的第一个魔法。

现在，我们就来看看，在百万数据中探囊取物，谁的身手更快一点？

import numpy as np
import pandas as pd

array = np.random.normal(size=1_000_000)
series = pd.Series(array)

%timeit np.percentile(array, 95)
%timeit series.quantile(0.95)

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我们使用%timeit来测量函数的运行时间。其输出结果是：

26.7 ms ± 5.67 ms per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)
21.6 ms ± 837 µs per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10 loops each)

看起来pandas更快啊。而且它的性能表现上更稳定，标准差只有numpy的1/7。mean±std什么的，量化人最熟悉是什么意思了。

这里的timeit，就是jupyter支持的魔法函数之一。又比如，在上面打印出来的分位数，有16位小数之多，真是看不过来啊。能不能只显示3位呢？当然有很多种方法做到这一点，比如，我们可以用f-str语法：

f"{np.percentile(array, 95):.3f}"

啰哩啰嗦的，说好要Pythonic的呢?不如试试这个魔法吧：

%precision 3
np.percentile(array, 95)

之后每一次输出浮点数，都只有3位小数了，是不是很赞？

如果我们在使用一个第三方的库，看了文档，觉得它还没说明白，想看它的源码，怎么办?可以用psource魔法：

from omicron import tf

%psource tf.int2time

这会显示tf.int2time函数的源代码：

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    @classmethod
    def int2time(cls, tm: int) -> datetime.datetime:
        """将整数表示的时间转换为`datetime`类型表示

        examples:
            >>> TimeFrame.int2time(202005011500)
            datetime.datetime(2020, 5, 1, 15, 0)

        Args:
            tm: time in YYYYMMDDHHmm format

        Returns:
            转换后的时间
        """
        s = str(tm)
        # its 8 times faster than arrow.get()
        return datetime.datetime(
            int(s[:4]), int(s[4:6]), int(s[6:8]), int(s[8:10]), int(s[10:12])
        )

看起来Zillionare-omicron的代码，文档还是写得很不错的。能和numpy一样，在代码中包括示例，并且示例能通过doctest的量化库，应该不多。

Jupyter的魔法很多，记不住怎么办？这里有两个魔法可以用。一是%lsmagic：

%lsmagic

这会显示为：

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确实太多魔法了！不过，很多命令是操作系统命令的一部分。另一个同样性质的魔法指令是%quickref，它的输出大致如下：

IPython -- An enhanced Interactive Python - Quick Reference Card
================================================================

obj?, obj??      : Get help, or more help for object (also works as
                   ?obj, ??obj).
?foo.*abc*       : List names in 'foo' containing 'abc' in them.
%magic           : Information about IPython's 'magic' % functions.

Magic functions are prefixed by % or %%, and typically take their arguments
without parentheses, quotes or even commas for convenience.  Line magics take a
single % and cell magics are prefixed with two %%.

Example magic function calls:
...

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输出内容大约有几百行，一点也不quick!

2. 在vscode中使用jupyter

如果有可能，我们应该尽可能地利用vscode的jupyter notebook。vscode中的jupyter可能在界面元素的安排上弱于浏览器（即原生Jupyter），比如，单元格之间的间距太大，无法有效利用屏幕空间，菜单命令少于原生jupyter等等。但仍然vscode中的jupyter仍然有一些我们难于拒绝的功能。

首先是代码提示。浏览器中的jupyter是BS架构，它的代码提示响应速度比较慢，因此，只有在你按tab键之后，jupyter才会给出提示。在vscode中，代码提示的功能在使用体验上与原生的python开发是完全一样的。

其次，vscode中的jupyter的代码调试功能更好。原生的Jupyter中进行调试可以用%pdb或者%debug这样的magic，但体验上无法与IDE媲美。上图就是在vscode中调试notebook的样子，跟调试普通Python工程一模一样地强大。

还有一点功能是原生Jupyter无法做到的，就是最后编辑位置导航。

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如果我们有一个很长的notebook，在第100行调用第10行写的一个函数时，发现这个函数实现上有一些问题。于是跳转到第10行进行修改，修改完成后，再回到第100行继续编辑，这在原生jupyter中是通过快捷键跳转的。

通常我们只能在这些地方，插入markdown cell,然后利用标题来进行快速导航，但仍然无法准确定位到具体的行。但这个功能在IDE里是必备功能。我们在vscode中编辑notebook，这个功能仍然具备。

notebook适于探索。但如果最终我们要将其工程化，我们还必须将其转换成为python文件。vscode提供了非常好的notebook转python文件功能。下面是本文的notebook版本转换成python时的样子：

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转换后的notebook中，原先的markdown cell，转换成注释，并且以# %% [markdown]起头；而原生的python cell，则是以# %%起头。

vscode编辑器会把这些标记当成分隔符。每个分隔符，引起一个新的单元格，直到遇到下一个分隔符为止。这些单元格仍然是可以执行的。由于配置的原因，在我的工作区里，隐藏了这些toolbar,实际上它们看起来像下图这样。

这个特性被称为Python Interactive Window，可以在vscode的文档vscode中查看。

我们把notebook转换成python文件，但它仍然可以像notebook一样，按单元格执行，这就像是个俄罗斯套娃。宇宙第一的IDE，vs code实至名归。