Perl6:处理非常大的文件的最佳方法是什么？

Question

上周我决定尝试Perl6并开始重新实现我的一个程序.我不得不说,Perl6对于对象编程来说非常简单,这在Perl5中对我来说非常痛苦.

我的程序必须读取和存储大文件,例如全基因组(高达3 Gb或更高,参见下面的示例1)或制表数据.

代码的第一个版本是通过逐行迭代("genome.fa".IO.lines)以Perl5方式制作的.对于正确的执行时间来说,它非常缓慢且无法确定.

my class fasta {
  has Str $.file is required;
  has %!seq;

  submethod TWEAK() {
    my $id;
    my $s;

    for $!file.IO.lines -> $line {
      if $line ~~ /^\>/ {
        say $id;
        if $id.defined {
          %!seq{$id} = sequence.new(id => $id, seq => $s);
        }
        my $l = $line;
        $l ~~ s:g/^\>//;
        $id = $l;
        $s = "";
      }
      else {
        $s ~= $line;
      }
    }
    %!seq{$id} = sequence.new(id => $id, seq => $s);
  }
}


sub MAIN()
{
    my $f = fasta.new(file => "genome.fa");
}

所以在一点点RTFM之后,我改变了文件上的一个slurp,在我用for循环解析的\n上的一个分区.这样我设法在2分钟内加载数据.好多了但还不够.作弊,我的意思是删除最多的\n(例2),我将执行时间减少到30秒.相当不错,但并非完全满意,这种fasta格式并不是最常用的.

my class fasta {
  has Str $.file is required;
  has %!seq;

  submethod TWEAK() {
    my $id;
    my $s;

    say "Slurping ...";
    my $f = $!file.IO.slurp;

    say "Spliting file ...";
    my @lines = $f.split(/\n/);

    say "Parsing lines ...";
    for @lines -> $line {
      if $line !~~ /^\>/ {
          $s ~= $line;
      }
      else {
        say $id;
        if $id.defined {
          %!seq{$id} = seq.new(id => $id, seq => $s);
        }
        $id = $line;
        $id ~~ s:g/^\>//;
        $s = "";
      }
    }
    %!seq{$id} = seq.new(id => $id, seq => $s);
  }
}

sub MAIN()
{
    my $f = fasta.new(file => "genome.fa");
}

所以RTFM又一次发现了语法的神奇之处.无论使用何种fasta格式,所以新版本和执行时间为45秒.不是最快的方式,而是更优雅和稳定.

my grammar fastaGrammar {
  token TOP { <fasta>+ }

  token fasta   {<.ws><header><seq> }
  token header  { <sup><id>\n }
  token sup     { '>' }
  token id      { <[\d\w]>+ }
  token seq     { [<[ACGTNacgtn]>+\n]+ }

}

my class fastaActions {
  method TOP ($/){
    my @seqArray;

    for $<fasta> -> $f {
      @seqArray.push: seq.new(id => $f.<header><id>.made, seq => $f<seq>.made);
    }
    make @seqArray;
  }

  method fasta ($/) { make ~$/; }
  method id    ($/) { make ~$/; }
  method seq   ($/) { make $/.subst("\n", "", :g); }

}

my class fasta {
  has Str $.file is required;
  has %seq;

  submethod TWEAK() {

    say "=> Slurping ...";
    my $f = $!file.IO.slurp;

    say "=> Grammaring ...";
    my @seqArray = fastaGrammar.parse($f, actions => fastaActions).made;

    say "=> Storing data ...";
    for @seqArray -> $s {
      %!seq{$s.id} = $s;
    }
  }
}

sub MAIN()
{
    my $f = fasta.new(file => "genome.fa");
}

我认为我找到了很好的解决方案来处理这些大文件,但性能仍然在Perl5之下.

作为Perl6的新手,我有兴趣知道是否有更好的方法来处理大数据,或者是否由于Perl6实现有一些限制？

作为Perl6的新手,我会问两个问题:

• 还有其他Perl6机制,我还不知道,或者还没有记录,用于存储文件中的大量数据(比如我的基因组)？
• 我是否达到了当前Perl6版本的最高性能？

谢谢阅读 !

---

Fasta示例1:

>2L
CGACAATGCACGACAGAGGAAGCAGAACAGATATTTAGATTGCCTCTCATTTTCTCTCCCATATTATAGGGAGAAATATG
ATCGCGTATGCGAGAGTAGTGCCAACATATTGTGCTCTTTGATTTTTTGGCAACCCAAAATGGTGGCGGATGAACGAGAT
...
>3R
CGACAATGCACGACAGAGGAAGCAGAACAGATATTTAGATTGCCTCTCATTTTCTCTCCCATATTATAGGGAGAAATATG
ATCGCGTATGCGAGAGTAGTGCCAACATATTGTGCTCTTTGATTTTTTGGCAACCCAAAATGGTGGCGGATGAACGAGAT
...

Fasta示例2:

>2L
GACAATGCACGACAGAGGAAGCAGAACAGATATTTAGATTGCCTCTCAT...            
>3R
TAGGGAGAAATATGATCGCGTATGCGAGAGTAGTGCCAACATATTGTGCT...

编辑 我应用@Christoph和@timotimo的建议并用代码测试:

my class fasta {
  has Str $.file is required;
  has %!seq;

  submethod TWEAK() {
    say "=> Slurping / Parsing / Storing ...";
    %!seq = slurp($!file, :enc<latin1>).split('>').skip(1).map: {
  .head => seq.new(id => .head, seq => .skip(1).join) given .split("\n").cache;
    }
  }
}


sub MAIN()
{
    my $f = fasta.new(file => "genome.fa");
}

该计划以2.7秒结束,非常棒!我还在小麦基因组(10 Gb)上尝试了这个代码.它完成了35.2秒.Perl6终于不是那么慢了!

大感谢您的帮助!

Answer 1

一个简单的改进是使用固定宽度编码,例如latin1加速字符解码,但我不确定这将有多大帮助.

就Rakudo的正则表达式/语法引擎而言,我发现它非常慢,所以可能确实需要采用更低级的方法.

我没有做任何基准测试,但我首先尝试的是这样的:

my %seqs = slurp('genome.fa', :enc<latin1>).split('>')[1..*].map: {
    .[0] => .[1..*].join given .split("\n");
}

由于Perl6标准库是在Perl6本身中实现的,因此有时可以通过避免它来提高性能,以命令式方式编写代码,例如:

my %seqs;
my $data = slurp('genome.fa', :enc<latin1>);
my $pos = 0;
loop {
    $pos = $data.index('>', $pos) // last;

    my $ks = $pos + 1;
    my $ke = $data.index("\n", $ks);

    my $ss = $ke + 1;
    my $se = $data.index('>', $ss) // $data.chars;

    my @lines;

    $pos = $ss;
    while $pos < $se {
        my $end = $data.index("\n", $pos);
        @lines.push($data.substr($pos..^$end));
        $pos = $end + 1
    }

    %seqs{$data.substr($ks..^$ke)} = @lines.join;
}

但是,如果使用的标准库的部分已经看到一些性能工作,这实际上可能会使事情变得更糟.在这种情况下,下一步采取将被加入低级类型的注解,例如str和int和更换调用例程,例如.index与NQP建宏如nqp::index.

如果这仍然太慢,那么你运气不好,需要切换语言,例如使用Inline::Perl5或使用C 调用Perl5 NativeCall.

请注意,@ timotimo已经完成了一些性能测量并写了一篇关于它的文章.

如果我的短版本是基线,则命令式版本将性能提高2.4倍.

他实际上设法通过重写它来缩短短版本的3倍

my %seqs = slurp('genome.fa', :enc<latin-1>).split('>').skip(1).map: {
    .head => .skip(1).join given .split("\n").cache;
}

最后,使用重写内建NQP的版本必须加快东西用的17X的一个因素,但考虑到潜在的可移植性问题,写这样的代码一般不提倡,但对于可能是必要的,现在如果你真的需要的性能水平:

use nqp;

my Mu $seqs := nqp::hash();
my str $data = slurp('genome.fa', :enc<latin1>);
my int $pos = 0;

my str @lines;

loop {
    $pos = nqp::index($data, '>', $pos);

    last if $pos < 0;

    my int $ks = $pos + 1;
    my int $ke = nqp::index($data, "\n", $ks);

    my int $ss = $ke + 1;
    my int $se = nqp::index($data ,'>', $ss);

    if $se < 0 {
        $se = nqp::chars($data);
    }

    $pos = $ss;
    my int $end;

    while $pos < $se {
        $end = nqp::index($data, "\n", $pos);
        nqp::push_s(@lines, nqp::substr($data, $pos, $end - $pos));
        $pos = $end + 1
    }

    nqp::bindkey($seqs, nqp::substr($data, $ks, $ke - $ks), nqp::join("", @lines));
    nqp::setelems(@lines, 0);
}