幾個(gè)Matlab編程中常用的優(yōu)化技巧

作者：貓叔來源：科學(xué)計(jì)算Tech微信公眾號(hào)

用過Matlab的同學(xué)應(yīng)該都知道，Matlab的慢是出了名的，但是再慢也有優(yōu)化的方式，下面我們給出幾個(gè)Matlab編程中常用的優(yōu)化技巧。

在講優(yōu)化方法之前，首先要說的就是Matlab中用tic toc的方式來計(jì)算運(yùn)行時(shí)間，這是個(gè)常識(shí)。當(dāng)然，想統(tǒng)計(jì)具體的耗時(shí)，可以用profile工具。

1. 向量化操作

這個(gè)應(yīng)該是用過Matlab的同學(xué)都清楚的一點(diǎn)，Matlab中操作向量和矩陣的速度要比使用for循環(huán)的速度快很多，是因?yàn)槠涞讓诱{(diào)用了高性能線性代數(shù)庫(kù)BLAS庫(kù)和LAPACK庫(kù)。這個(gè)就不多說了。

2. 內(nèi)存預(yù)分配

在Matlab中我們可以定義一個(gè)空矩陣

mtx = [];

然后后面再給它加入一些數(shù)據(jù)，而且這個(gè)矩陣大小可以隨著我們填入數(shù)據(jù)的多少而變化。像下面這個(gè)程序

tic n = 1000; mtrx = []; init = 1.0; for i = 1:n for j=1:n mtrx(i,j) = init + 1.0; end end toc

這個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間是多久呢？在我電腦上是0.2秒。

那這個(gè)程序有什么問題呢？就是我們沒有為這個(gè)矩陣分配一個(gè)內(nèi)存空間，而且在循環(huán)中，矩陣大小是變化的，這就導(dǎo)致每次循環(huán)時(shí)都浪費(fèi)額外的時(shí)間去尋找滿足需求的內(nèi)存空間，將改變大小后的矩陣整體移動(dòng)到這個(gè)新的內(nèi)容空間中，并釋放原來的內(nèi)存空間，這除了會(huì)影響代碼的運(yùn)行效率，還容易形成內(nèi)存碎片，讓程序越來越難找到滿足條件的內(nèi)存。

因此在循環(huán)前給矩陣預(yù)分配內(nèi)存是很一個(gè)良好的習(xí)慣，如果沒有這個(gè)習(xí)慣，你還可以通過Matlab自帶的代碼檢查器來查看是否存在類似問題。

所以，我們應(yīng)該把程序修改如下：

tic n = 1000; mtrx = zeros(n,n); init = 1.0; for i = 1:n for j=1:n mtrx(i,j) = init + 1.0; end end toc

這個(gè)程序只用了0.007秒的時(shí)間就運(yùn)行完成了，可見它們的差距有多大。

3. 按列存儲(chǔ)

Matlab中默認(rèn)是按列存儲(chǔ)的，也就是說，列向量在內(nèi)存中是連續(xù)排列的，對(duì)連續(xù)的數(shù)據(jù)做處理肯定是要快的，所以我們?cè)诙x向量時(shí)一般都會(huì)使用列向量。下面對(duì)比矩陣中對(duì)行做操作和對(duì)列做操作花費(fèi)的時(shí)間。

n = 10000; mtrx = rand(n,n); mcol = zeros(n,1); mrow = zeros(1,n); tic for i=1:n mcol(i) = sum(mtrx(:,i)); end toc

我們對(duì)矩陣中的每一列都求和，總共用了0.17秒。

tic for i=1:n mrow(i) = sum(mtrx(i,:)); end toc

再對(duì)矩陣中的每一行求和，用了0.8秒。
可以看出，對(duì)列操作比對(duì)行操作速度要快很多。

4. 數(shù)據(jù)類型

在Matlab中，數(shù)據(jù)類型默認(rèn)是double型，對(duì)使用者來說，無需太多關(guān)心數(shù)據(jù)類型當(dāng)然是省心省力的，但這也帶來了一個(gè)問題就是double型占用的內(nèi)存較多，還有可能拖慢程序的運(yùn)行速度。所以，在適當(dāng)?shù)那闆r下，我們可以把數(shù)據(jù)類型選擇為邏輯型、字符型、整型等。但這樣還需要注意的一點(diǎn)是，一個(gè)變量在改變數(shù)據(jù)類型時(shí)會(huì)消耗額外的時(shí)間，因此還不如重新建一個(gè)新變量。

高效編程的內(nèi)容就先寫這么多，后面還會(huì)繼續(xù)補(bǔ)充。下面說一個(gè)Matlab調(diào)試中斷點(diǎn)設(shè)置問題。在一個(gè)for循環(huán)中，比如for i=1:n，我們想在i=100的進(jìn)入斷點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該怎么用？以前的時(shí)候我們都會(huì)這么寫。

for i=1:n if(i==100) pass end end

把斷點(diǎn)設(shè)置在pass處，但其實(shí)不用這么弄。Matlab中提供了條件斷點(diǎn)的設(shè)置方式。在循環(huán)中右鍵選擇設(shè)置條件斷點(diǎn)。

Figure 1. 條件斷點(diǎn)設(shè)置1

在下面的窗口中填入條件即可，比如i==100。

Figure 2. 條件斷點(diǎn)設(shè)置2

這樣，當(dāng)程序運(yùn)行到i==100時(shí)就會(huì)進(jìn)入斷點(diǎn)，不需要自己再寫額外的語(yǔ)句。

審核編輯：何安