Python-библиотеки, которые упрощают жизнь программиста. Часть 1

Привет всем! Меня зовут Алексей Жиряков, я техлид backend-команды витрины онлайн-кинотеатра KION. Сегодня хочу поделиться любимыми Python-библиотеками, которые помогают нам оптимизировать работу. Надеюсь, вам они тоже будут полезны. И конечно, пишите в комментах, чего не хватает в подборке. Возможно, потом сделаю вторую часть, а еще расскажу про фреймворки. Поехали!

Mayavi: библиотека для 3D-визуализации данных

Mayavi была впервые выпущена в 2001 году как инструмент для научной визуализации на Python. Ее разработка началась под руководством Прабху Рамачандрана. Ориентирована на исследователей и инженеров, которые работают с большими массивами данных и хотят визуализировать их в виде 3D-графиков.

Библиотека построена на основе Visualization Toolkit (VTK). С ее помощью можно легко интегрировать 3D-графики в приложения на основе Qt или WxPython.

Главные функции:

1. Обширные возможности визуализации: построение изолиний, векторных полей, поверхностных и объемных графиков.

2. Интеграция с VTK: поддержка сложных объектов и высококачественная визуализация.

3. Интеграция с другими библиотеками: NumPy, SciPy и др.

4. Возможность автоматизации через Python-скрипты.

Недостатки:

1. Сложность установки: нужна VTK, а это может вызвать проблемы с установкой у новичков.

2. Высокий порог входа: из-за большого количества функций библиотека может показаться сложной для изучения.

3. Зависимость от VTK: функциональность ограничена возможностями этого инструмента.

4. Невысокая скорость работы: при обработке очень больших данных производительность может снижаться.

Подробно о Mayavi можно узнать на официальном сайте.

Scikit-learn: библиотека для машинного обучения на Python

Scikit-learn впервые выпущена в 2007 году как часть проекта Google Summer of Code. Первая стабильная версия появилась в 2010 году. Scikit-learn предлагает широкий набор инструментов для решения задач машинного обучения, таких как классификация, регрессия и кластеризация. Библиотека легко интегрируется с другими инструментами Python, например NumPy, SciPy и Matplotlib, а это делает ее удобной для аналитиков данных и исследователей.

Главные функции:

1. Обширный набор алгоритмов: поддержка как простых (линейная регрессия), так и сложных (Random Forest, Gradient Boosting) моделей.

2. Предобработка данных: инструменты для нормализации, стандартизации, обработки пропущенных значений.

3. Оценка: кросс-валидация, метрики качества, методы отбора признаков.

4. Кластеризация: алгоритмы для разбиения данных на группы (K-means, DBSCAN).

5. Интеграция с другими библиотеками: NumPy, Pandas, Matplotlib.

Недостатки:

1. Не подходит для глубокого обучения: библиотека предназначена для традиционных ML-методов, а не для работы с нейронными сетями.

2. Ограниченная масштабируемость: Scikit-learn плохо справляется с обработкой очень больших наборов данных.

3. Меньшая производительность: по сравнению с библиотеками, оптимизированными для GPU, такими как TensorFlow или PyTorch.

4. Нет встроенной поддержки GPU: полностью ориентирована на работу с CPU.

Узнать подробности и начать работу с библиотекой можно на официальном сайте проекта.

Pandas: мощная библиотека для анализа данных

Pandas создана в 2008 году Уэсом МакКинни для упрощения обработки и анализа данных в Python. Сначала она разрабатывалась для финансового сектора, но быстро стала популярной и в других областях.

Инструмент позволяет работать с табличными данными из разных источников, включая CSV, Excel, SQL и HDF5. Предоставляет мощные структуры данных, такие как DataFrame для двумерных таблиц и Series для одномерных массивов с метками. Благодаря гибкой системе индексации разработчики могут легко фильтровать, выбирать и преобразовывать данные.

Еще Pandas поддерживает интеграцию с другими популярными библиотеками, включая NumPy и Matplotlib, и предлагает продвинутые инструменты для работы с временными рядами, включая агрегацию и обработку дат. Высокая производительность достигается за счет оптимизации с использованием Cython.

Главные функции:

1. DataFrame: двумерная структура данных, похожая на таблицы в Excel или SQL.

2. Series: одномерный массив с метками.

3. Удобные методы для работы с пропущенными значениями.

4. Группировка данных по критериям и их последующая обработка.

5. Объединение данных.

Недостатки:

1. Нагрузка на память: работа с большими наборами часто ресурсоемкая.

2. Крутая кривая обучения: новичкам может быть сложно из-за большого количества методов и функций.

3. Ограниченная многопоточность: некоторые операции плохо масштабируются на многоядерные системы.

4. Невысокая скорость работы: при обработке действительно больших данных уступает инструментам, ориентированным на распределенные вычисления — например, Dask или PySpark.

Подробнее узнать о Pandas и начать работу с ней можно на официальном сайте.

В 2025 году стоит посмотреть на библиотеку Polars — это более быстрая альтернатива Pandas, которая повторяет его интерфейс и может работать с большим количеством данных. Написана на Rust.

JAX: библиотека для высокопроизводительных вычислений и машинного обучения

JAX разработана командой Google, первая версия инструмента представлена в 2018 году. Библиотека — наследница Autograd.

JAX — мощный инструмент для выполнения сложных математических операций и обучения моделей машинного обучения. Поддерживает автоматическое дифференцирование, позволяет переносить код на GPU или TPU и обеспечивает эффективную работу с большими массивами данных. Ее API совместима с NumPy, что упрощает использование для тех, кто уже знаком с этой библиотекой.

Главные функции:

1. Автоматическое дифференцирование: предоставляет функцию grad.

2. JIT-компиляция: ускорение вычислений за счет компиляции кода с использованием XLA.

3. Поддержка параллелизма: возможность выполнять параллельные вычисления на GPU и TPU.

4. Совместимость с NumPy: схожий интерфейс облегчает миграцию существующих проектов.

5. Работа с распределенными системами: оптимизация вычислений для кластеров.

Недостатки:

1. Сложность освоения: требует знаний о работе с GPU и TPU.

2. Меньшая экосистема: по сравнению с TensorFlow или PyTorch тут меньше готовых моделей и обучающих материалов.

3. Ограниченная совместимость: некоторые привычные инструменты и библиотеки могут быть несовместимы с JAX.

4. Непривычная отладка: использование JIT-компиляции делает отладку сложнее, поскольку код выполняется в скомпилированной форме.

Подробнее о JAX можно узнать на официальном сайте.

Hugging Face Transformers: библиотека для работы с NLP-моделями

Hugging Face представила библиотеку Transformers в 2019 году. Ее разработали для упрощения использования передовых языковых моделей в задачах обработки естественного языка (NLP). Transformers предлагает интерфейсы для работы с моделями глубокого обучения, предобученными на огромных наборах данных. Поддерживает задачи классификации, машинного перевода, генерации текста, вопросно-ответных систем и так далее.

Библиотека интегрируется с фреймворками, такими как PyTorch и TensorFlow, и предоставляет готовые модели через Hub.

Главные функции:

1. Поддержка предобученных моделей: библиотека включает сотни вариантов для различных задач NLP.

2. Совместимость с PyTorch и TensorFlow: поддержка обеих экосистем позволяет выбрать удобный фреймворк.

3. Множество задач NLP: классификация, генерация текста, перевод, извлечение сущностей, ответы на вопросы и другие.

4. Оптимизация производительности: модели легко масштабируются на GPU, TPU и многопроцессорные системы.

5. Гибкость настройки: возможность дообучения моделей на новых данных.

Недостатки:

1. Высокие требования к ресурсам: нужны значительные мощности.

2. Высокий порог входа: новичкам может быть сложно разобраться с настройкой и использованием моделей.

3. Для дообучения моделей требуется значительное количество данных.

4. Медленная инференция на CPU: работа на центральном процессоре может быть заметно медленнее, чем на GPU.

5. Большой размер моделей: модели занимают много места и требуют оптимизации для развертывания в приложениях.

Подробнее о Hugging Face Transformers можно узнать на официальном сайте.

PyCaret: библиотека для автоматизации машинного обучения

PyCaret создана командой энтузиастов, возглавляемой Муаз Али (Moez Ali). Библиотека ориентирована на автоматизацию рутинных задач, связанных с обработкой данных, обучением моделей и их оценкой. Готовая PyCaret впервые представлена в апреле 2020 года.

Библиотека поддерживает большое количество алгоритмов машинного обучения, включая классификацию, регрессию и кластеризацию. К тому же упрощает работу с визуализацией данных и предоставляет интеграцию с другими инструментами Python.

Главные функции:

1. Подготовка данных: выполняет выбор алгоритма, обучение и оценку модели в одной строке кода.

2. Поддержка множества задач: классификация, регрессия, кластеризация, анализ временных рядов.

3. Интерактивные панели: возможность визуализации результатов и анализа данных через интеграцию с Jupyter Notebook и Google Colab.

4. Модульная структура: разделение на модули по задачам, что упрощает использование.

5. Интеграция с другими инструментами: поддержка Pandas, NumPy, Matplotlib и других библиотек.

Недостатки:

1. Ограниченная масштабируемость: PyCaret подходит для небольших и средних наборов данных.

2. Зависимость от сторонних библиотек: многие функции зависят от интеграции с Scikit-learn, XGBoost и другими инструментами.

3. Меньшая гибкость: автоматизация ограничивает возможность детального контроля над процессом.

4. Сложности с кастомизацией: при использовании нестандартных алгоритмов или подходов требуется дополнительная доработка.

5. Нехватка информации: библиотека появилась недавно, поэтому экосистема и сообщество пока небольшие.

Подробнее о PyCaret можно узнать на официальном сайте.

На этом пока все. Пишите в комментариях, с какими библиотеками работаете вы и почему.

---

Что почитать по теме:

• 5 полезных фреймворков и библиотек для начинающего фронтенд-разработчика на конец 2024 года

• 10 open-source-фреймворков для разработки ИИ-ботов

• Готовим микрофронтенды на чистом JS без фреймворков