Python 성능관리 방법 vol.2 - 행렬연산 시 NumPy를 사용해야하는 이유

Intro

안녕하세요 Noah입니다.
이번 포스팅에서는 Python 개발자들이 행렬연산 시 꼭 알아야 할 NumPy 사용 이유에 대해 다뤄보겠습니다.
Python은 자동으로 메모리를 관리하는 편리한 언어이지만, 기본 설정만으로 모든 상황에서 최적의 성능을 낼 수는 없습니다.
특히, 대용량 데이터 처리에서는 인터프리터 언어의 한계 때문에 데이터 처리 속도가 느려질 수 있습니다.
이런 경우, NumPy와 같은 라이브러리를 활용하면 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있습니다.

그럼, 시작해보겠습니다!



목차

  1. Intro
  2. NumPy란 무엇인가?
  3. Outro





NumPy란 무엇인가?

Python에서 NumPy를 사용하는 이유는 다음과 같은 특성 덕분에 메모리 효율적이고 고성능 데이터 처리가 가능하기 때문입니다.

1. 고정 크기의 데이터 타입 사용

NumPy는 배열 내 모든 요소가 동일한 데이터 타입을 가지도록 강제합니다. 이는 다음과 같은 이점을 제공합니다

  • 메모리 사용 효율: 파이썬의 일반 리스트는 각 요소가 개별 객체로 저장되며, 객체 자체가 추가적인 메타데이터를 포함하기 때문에 메모리를 더 많이 사용합니다.
    반면, NumPy 배열은 동일한 데이터 타입을 가진 요소를 연속된 메모리 블록에 저장하여 메모리를 절약합니다.
  • CPU 캐시 최적화: 연속된 메모리 레이아웃은 CPU 캐시를 효과적으로 활용하여 접근 속도를 높입니다.


2. 벡터화 연산 (Vectorized Operations)

NumPy는 루프 없이도 배열의 모든 요소에 대해 연산을 수행할 수 있는 벡터화 연산을 지원합니다.
이 때문에 파이썬 루프 대비 고성능을 지원합니다. 파이썬의 for 루프는 인터프리터 수준에서 동작하기 때문에 느리지만, NumPy의 벡터화 연산은 C 언어로 구현된 저수준 연산을 활용하므로 훨씬 빠릅니다.

파이썬 루프가 느린 이유

  • 인터프리터 수준 실행: 파이썬은 코드를 실행할 때 각 명령어를 한 줄씩 바이트코드로 변환 및 실행하는 인터프리터 언어입니다. 루프의 각 반복마다 이러한 변환이 반복되며, 이는 성능을 저하시킵니다.
  • 동적 타입 지정: 파이썬은 동적 타입 언어이기 때문에 반복문 내 각 요소의 타입을 확인해야 하며, 타입 확인 비용이 추가로 발생합니다.
  • 객체 기반 데이터 구조: 파이썬 리스트의 각 요소는 포인터와 메타데이터를 포함하는 객체로 저장되므로, 추가적인 메모리 접근 비용과 관리 비용이 듭니다.
  • GIL(Global Interpreter Lock): 파이썬은 GIL로 인해 멀티스레드의 병렬 실행이 제한되며, 단일 코어에서 작업이 실행되기 때문에 고성능 작업에 제약이 생깁니다.

반면, NumPy의 벡터화 연산은 C로 구현된 최적화된 코드를 통해 병렬적으로 데이터를 처리하므로 성능이 크게 향상됩니다.

비교: 파이썬 루프 vs NumPy 벡터화

파이썬 for 루프

각 요소를 순회하면서 연산하고, append 메서드를 호출하여 리스트에 추가합니다.
메모리 접근과 타입 확인, 메서드 호출 등의 오버헤드가 발생합니다.

data = [1, 2, 3, 4, 5]
result = []
for x in data:
    result.append(x * 2)

NumPy 벡터화

한 줄의 연산으로 모든 요소를 처리하며, 내부적으로 C 언어로 최적화된 루프가 실행됩니다.
또한, 추가적인 메모리 오버헤드와 타입 검사가 없으므로 훨씬 빠릅니다.

import numpy as np
data = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
result = data * 2




3. C 기반 구현

NumPy는 핵심 연산이 C로 구현되어 있습니다. 이로 인해 다음과 같은 장점이 있습니다.

  • 파이썬의 동적 타이핑보다 훨씬 빠른 정적 타이핑 연산을 수행
  • 저수준 연산에서 반복문을 제거하여 오버헤드를 줄임
  • 다차원 배열 연산도 효율적으로 수행


4. 브로드캐스팅 (Broadcasting)

NumPy는 배열 크기가 다르더라도 특정 규칙에 따라 연산을 수행할 수 있는 브로드캐스팅을 지원합니다.
이로 인해 불필요한 복사를 줄이고 메모리 사용량을 절감할 수 있습니다.

a = np.array([1, 2, 3])
b = 2
c = a + b  # b가 [2, 2, 2]로 확장된 것처럼 연산




5. 저수준 연산 최적화

NumPy는 BLAS와 LAPACK 같은 고성능 수치 연산 라이브러리를 내부적으로 사용합니다.
이로 인해 선형 대수 연산이나 행렬 연산 같은 복잡한 작업도 매우 빠르게 처리할 수 있습니다.


6. 메모리 뷰와 슬라이싱

NumPy는 배열의 메모리 뷰를 생성하여 데이터 복사를 최소화합니다.
파이썬 리스트에서는 슬라이싱 시 복사본이 생성되지만, NumPy 배열은 동일한 데이터의 뷰를 반환하여 메모리를 절약합니다.

a = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
b = a[2:4]  # 원본 데이터의 뷰
b[0] = 99   # 원본에도 영향을 미침
print(a)  # [ 1  2 99  4  5]




7. 멀티스레딩 및 병렬 처리

NumPy는 내부적으로 멀티스레딩을 활용하여 병렬로 연산을 수행합니다. 따라서 대규모 데이터셋 처리 시 성능이 더욱 향상됩니다.



Outro

NumPy는 고정 크기의 데이터 타입, 벡터화 연산, C 기반 구현, 브로드캐스팅, 메모리 효율적인 슬라이싱 및 병렬 처리와 같은 특징 덕분에 메모리 효율적이며 고성능 데이터 처리가 가능합니다.
이로 인해 NumPy는 데이터 분석, 과학 계산, 머신러닝 등에서 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 여러분도 NumPy를 활용하여 Python의 성능을 향상시켜보세요!

다음 포스팅에서는 Python 성능 관리 방법의 세번째 주제를 다룰 예정이니, 많은 관심 부탁드립니다!

긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 😊