NEP 30 — NumPy 数组的鸭子类型 - 实现#

作者:

Peter Andreas Entschev <pentschev@nvidia.com>

作者:

Stephan Hoyer <shoyer@google.com>

状态:

已取代

被替换为:

NEP 56 — NumPy 主命名空间中的数组 API 标准支持

类型:

标准跟踪

创建:

2019-07-31

更新:

2019-07-31

决议:

https://mail.python.org/archives/list/numpy-discussion@python.org/message/Z6AA5CL47NHBNEPTFWYOTSUVSRDGHYPN/

摘要#

我们建议使用 __duckarray__ 协议，遵循 NEP 22 中描述的高级概述，允许下游库返回其定义类型的数组，这与 np.asarray 相反，后者会将这些 array_like 对象强制转换为 NumPy 数组。

详细说明#

NumPy 的 API（包括数组定义）在无数其他项目中都有实现和模仿。根据定义，许多这些数组在操作方式上与 NumPy 标准非常相似。__array_function__ 的引入允许直接通过 NumPy 的 API 调度由这些项目中的几个项目实现的函数。这引入了新的需求，即返回类似 NumPy 的数组本身，而不是强制转换为纯 NumPy 数组。

出于上述目的，NEP 22 引入了 NumPy 数组的鸭子类型概念。NEP 中描述的建议解决方案允许库在必要时避免将类似 NumPy 的数组强制转换为纯 NumPy 数组，同时仍然允许那些不希望实现该协议的类似 NumPy 数组库通过 np.asarray 将数组强制转换为纯 NumPy 数组。

使用方法指南#

使用 np.duckarray 的代码旨在支持其他“遵循 NumPy API”的类似 ndarray 的对象。目前这是一个定义不明确的概念——每个已知的库都只部分实现了 NumPy API，并且许多库至少在某些细微方面故意偏离。这不容易解决，因此对于 np.duckarray 的用户，我们建议采用以下策略：检查您使用 np.duckarray 后续代码使用的 NumPy 功能是否在 Dask、CuPy 和 Sparse 中存在。如果是，那么可以合理地预期任何鸭子数组都能在这里工作。如果不是，我们建议您在文档字符串中指明接受哪种鸭子数组，或者它们需要具备哪些属性。

为了举例说明鸭子数组的使用，假设想要获取类似数组的对象 arr 的 mean()。使用 NumPy 来实现这一点，可以编写 np.asarray(arr).mean() 来实现预期结果。如果 arr 不是 NumPy 数组，这将创建一个实际的 NumPy 数组以便调用 .mean()。但是，如果该数组是符合 NumPy API（全部或部分）的对象，例如 CuPy、Sparse 或 Dask 数组，则该复制操作是不必要的。另一方面，如果使用新的 __duckarray__ 协议：np.duckarray(arr).mean()，并且 arr 是符合 NumPy API 的对象，它将被简单地返回，而不是强制转换为纯 NumPy 数组，从而避免不必要的复制和潜在的性能损失。

实现#

实现思路相当简单，需要在 NumPy 中引入一个新函数 duckarray，并在类似 NumPy 数组的类中引入一个新方法 __duckarray__。新的 __duckarray__ 方法应返回下游类似数组的对象本身，例如 self 对象，而 __array__ 方法则引发 TypeError。或者，__array__ 方法可以创建一个实际的 NumPy 数组并返回它。

新的 NumPy duckarray 函数可以按如下方式实现

def duckarray(array_like):
    if hasattr(array_like, '__duckarray__'):
        return array_like.__duckarray__()
    return np.asarray(array_like)

为实现类似 NumPy 数组的项目提供的示例#

现在考虑一个库，该库实现了一个名为 NumPyLikeArray 的与 NumPy 兼容的数组类，此类应实现上述方法，完整的实现如下所示

class NumPyLikeArray:
    def __duckarray__(self):
        return self

    def __array__(self):
        raise TypeError("NumPyLikeArray can not be converted to a NumPy "
                         "array. You may want to use np.duckarray() instead.")

上述实现例示了最简单的情况，但总的来说，库将实现一个返回原始对象的 __duckarray__ 方法，以及一个创建并返回适当的 NumPy 数组或引发 ``TypeError`` 以防止意外用作 NumPy 数组中的对象（如果对未实现 __array__ 的任意对象调用 np.asarray，它将创建一个 NumPy 数组标量）的 __array__ 方法。

对于现有库，如果它们不实现 __array__ 但想要使用鸭子数组类型，建议它们引入 __array__ 和 ``__duckarray__`` 方法。

用法#

下面展示了如何使用`__duckarray__`协议编写基于`concatenate`的`stack`函数以及其产生的结果。此处示例不仅用于演示`duckarray`函数的用法，也用于演示其对NumPy API的依赖性，这通过检查数组的`shape`属性得以体现。请注意，此示例只是NumPy实际实现的`stack`函数（作用于第一轴）的简化版本，并且假设Dask已实现`__duckarray__`方法。

def duckarray_stack(arrays):
    arrays = [np.duckarray(arr) for arr in arrays]

    shapes = {arr.shape for arr in arrays}
    if len(shapes) != 1:
        raise ValueError('all input arrays must have the same shape')

    expanded_arrays = [arr[np.newaxis, ...] for arr in arrays]
    return np.concatenate(expanded_arrays, axis=0)

dask_arr = dask.array.arange(10)
np_arr = np.arange(10)
np_like = list(range(10))

duckarray_stack((dask_arr, dask_arr))   # Returns dask.array
duckarray_stack((dask_arr, np_arr))     # Returns dask.array
duckarray_stack((dask_arr, np_like))    # Returns dask.array

相反，仅使用`np.asarray`（在撰写本NEP时，这是库开发者通常采用的确保数组类似NumPy的方法）会产生不同的结果。

def asarray_stack(arrays):
    arrays = [np.asanyarray(arr) for arr in arrays]

    # The remaining implementation is the same as that of
    # ``duckarray_stack`` above

asarray_stack((dask_arr, dask_arr))     # Returns np.ndarray
asarray_stack((dask_arr, np_arr))       # Returns np.ndarray
asarray_stack((dask_arr, np_like))      # Returns np.ndarray

向后兼容性#

鉴于此提案仅引入了一个新函数，因此不会引发NumPy中的任何向后兼容性问题。但是，选择引入`__duckarray__`协议的下游库可以选择移除通过`np.array`或`np.asarray`函数将数组强制转换回NumPy数组的功能，从而防止将此类数组意外强制转换回纯NumPy数组（某些库已经这样做，例如CuPy和Sparse），但仍然允许未实现该协议的库选择使用`np.duckarray`将`array_like`对象提升为纯NumPy数组。

之前的提案和讨论#

此处提出的鸭子类型协议在NEP 22中进行了高级描述。

此外，关于该协议和相关提案的更长讨论发生在numpy/numpy #13831