关于 polars
Polars 是面向 Python 和 Rust 的 DataFrame 库,适用于数据处理与分析工作流。它以表达式 API 和惰性查询优化支持高效转换大型数据集。
主要功能
- 01基于表达式的数据转换
- 02惰性查询规划与优化
- 03并行数据操作
- 04读写常见数据格式
- 05连接、聚合与重塑数据
- 06pandas 迁移指南
适用场景
- 01筛选和聚合大型数据集
- 02构建优化的数据管道
- 03在文件格式间转换数据
- 04将 pandas 操作迁移到 Polars
安装
复制下面的命令,在终端中运行。
npx skills add https:/ / github.com/ crazymsn/ academic-skills --skill polars安装后在 Claude Code 中输入/polars确认已加载。
包含的文件
除 SKILL.md 外,安装时一起下载的参考资料和脚本。
references/best_practices.mdcore_concepts.mdio_guide.mdoperations.mdpandas_migration.mdtransformations.md详细介绍
Polars
概述
Polars 是一个基于 Apache Arrow 构建的、速度极快的 Python 和 Rust DataFrame 库。使用 Polars 基于表达式的 API、惰性求值框架和高性能数据操作能力,可高效进行数据处理、从 pandas 迁移以及数据管道优化。
快速开始
安装与基本用法
安装 Polars:
uv pip install polars
基本的 DataFrame 创建与操作:
import polars as pl
# Create DataFrame
df = pl.DataFrame({
"name": ["Alice", "Bob", "Charlie"],
"age": [25, 30, 35],
"city": ["NY", "LA", "SF"]
})
# Select columns
df.select("name", "age")
# Filter rows
df.filter(pl.col("age") > 25)
# Add computed columns
df.with_columns(
age_plus_10=pl.col("age") + 10
)
核心概念
表达式
表达式是 Polars 操作的基本构建块。它们描述对数据的转换,并且可以组合、复用和优化。
关键原则:
- 使用
pl.col("column_name")引用列 - 链式调用方法以构建复杂的转换
- 表达式是惰性的,仅在上下文(select、with_columns、filter、group_by)中执行
示例:
# Expression-based computation
df.select(
pl.col("name"),
(pl.col("age") * 12).alias("age_in_months")
)
惰性求值与即时求值
即时(DataFrame): 操作立即执行
df = pl.read_csv("file.csv") # Reads immediately
result = df.filter(pl.col("age") > 25) # Executes immediately
惰性(LazyFrame): 操作构建查询计划,在执行前进行优化
lf = pl.scan_csv("file.csv") # Doesn't read yet
result = lf.filter(pl.col("age") > 25).select("name", "age")
df = result.collect() # Now executes optimized query
何时使用惰性:
- 处理大型数据集
- 复杂的查询管道
- 只需要部分列/行时
- 性能至关重要时
惰性求值的优势:
- 自动查询优化
- 谓词下推
- 投影下推
- 并行执行
详细概念请加载 references/core_concepts.md。
常见操作
Select
选择并操作列:
# Select specific columns
df.select("name", "age")
# Select with expressions
df.select(
pl.col("name"),
(pl.col("age") * 2).alias("double_age")
)
# Select all columns matching a pattern
df.select(pl.col("^.*_id$"))
Filter
按条件筛选行:
# Single condition
df.filter(pl.col("age") > 25)
# Multiple conditions (cleaner than using &)
df.filter(
pl.col("age") > 25,
pl.col("city") == "NY"
)
# Complex conditions
df.filter(
(pl.col("age") > 25) | (pl.col("city") == "LA")
)
With Columns
在保留现有列的同时添加或修改列:
# Add new columns
df.with_columns(
age_plus_10=pl.col("age") + 10,
name_upper=pl.col("name").str.to_uppercase()
)
# Parallel computation (all columns computed in parallel)
df.with_columns(
pl.col("value") * 10,
pl.col("value") * 100,
)
Group By 与聚合
对数据分组并计算聚合:
# Basic grouping
df.group_by("city").agg(
pl.col("age").mean().alias("avg_age"),
pl.len().alias("count")
)
# Multiple group keys
df.group_by("city", "department").agg(
pl.col("salary").sum()
)
# Conditional aggregations
df.group_by("city").agg(
(pl.col("age") > 30).sum().alias("over_30")
)
详细操作模式请加载 references/operations.md。
聚合与窗口函数
聚合函数
group_by 上下文中常见的聚合:
pl.len()- 统计行数pl.col("x").sum()- 求和pl.col("x").mean()- 求平均值pl.col("x").min()/pl.col("x").max()- 极值pl.first()/pl.last()- 第一个/最后一个值
使用 over() 的窗口函数
在保留行数的同时应用聚合:
# Add group statistics to each row
df.with_columns(
avg_age_by_city=pl.col("age").mean().over("city"),
rank_in_city=pl.col("salary").rank().over("city")
)
# Multiple grouping columns
df.with_columns(
group_avg=pl.col("value").mean().over("category", "region")
)
映射策略:
group_to_rows(默认):保留原始行顺序explode:更快,但会将行分组在一起join:创建列表列
数据 I/O
支持的格式
Polars 支持读写:
- CSV、Parquet、JSON、Excel
- 数据库(通过连接器)
- 云存储(S3、Azure、GCS)
- Google BigQuery
- 多个/分区文件
常见 I/O 操作
CSV:
# Eager
df = pl.read_csv("file.csv")
df.write_csv("output.csv")
# Lazy (preferred for large files)
lf = pl.scan_csv("file.csv")
result = lf.filter(...).select(...).collect()
Parquet(推荐用于提升性能):
df = pl.read_parquet("file.parquet")
df.write_parquet("output.parquet")
JSON:
df = pl.read_json("file.json")
df.write_json("output.json")
完整的 I/O 文档请加载 references/io_guide.md。
转换
连接(Join)
合并 DataFrame:
# Inner join
df1.join(df2, on="id", how="inner")
# Left join
df1.join(df2, on="id", how="left")
# Join on different column names
df1.join(df2, left_on="user_id", right_on="id")
拼接(Concatenation)
堆叠 DataFrame:
# Vertical (stack rows)
pl.concat([df1, df2], how="vertical")
# Horizontal (add columns)
pl.concat([df1, df2], how="horizontal")
# Diagonal (union with different schemas)
pl.concat([df1, df2], how="diagonal")
透视与逆透视
重塑数据:
# Pivot (wide format)
df.pivot(values="sales", index="date", columns="product")
# Unpivot (long format)
df.unpivot(index="id", on=["col1", "col2"])
详细的转换示例请加载 references/transformations.md。
pandas 迁移
Polars 相比 pandas 提供了显著的性能提升,并且 API 更简洁。主要区别:
概念差异
- 无索引:Polars 仅使用整数位置
- 严格类型:不会进行隐式类型转换
- 惰性求值:可通过 LazyFrame 使用
- 默认并行:操作自动并行化
常见操作对照
| 操作 | Pandas | Polars |
|---|---|---|
| 选择列 | df["col"] | df.select("col") |
| 筛选 | df[df["col"] > 10] | df.filter(pl.col("col") > 10) |
| 添加列 | df.assign(x=...) | df.with_columns(x=...) |
| 分组 | df.groupby("col").agg(...) | df.group_by("col").agg(...) |
| 窗口 | df.groupby("col").transform(...) | df.with_columns(...).over("col") |
关键语法模式
Pandas 串行(慢):
df.assign(
col_a=lambda df_: df_.value * 10,
col_b=lambda df_: df_.value * 100
)
Polars 并行(快):
df.with_columns(
col_a=pl.col("value") * 10,
col_b=pl.col("value") * 100,
)
完整的迁移指南请加载 references/pandas_migration.md。
最佳实践
性能优化
-
对大型数据集使用惰性求值:
lf = pl.scan_csv("large.csv") # Don't use read_csv result = lf.filter(...).select(...).collect() -
避免在热点路径中使用 Python 函数:
- 保持在表达式 API 内以实现并行化
- 仅在必要时使用
.map_elements() - 优先使用 Polars 原生操作
-
对超大数据使用流式处理:
lf.collect(streaming=True) -
尽早只选择需要的列:
# Good: Select columns early lf.select("col1", "col2").filter(...) # Bad: Filter on all columns first lf.filter(...).select("col1", "col2") -
使用合适的数据类型:
- 对低基数(low-cardinality)字符串使用 Categorical
- 合适的整数大小(i32 与 i64)
- 对时间数据使用日期类型
表达式模式
条件操作:
pl.when(condition).then(value).otherwise(other_value)
跨多列操作列:
df.select(pl.col("^.*_value$") * 2) # Regex pattern
空值处理:
pl.col("x").fill_null(0)
pl.col("x").is_null()
pl.col("x").drop_nulls()
如需更多最佳实践和模式,请加载 references/best_practices.md。
资源
此技能包含全面的参考文档:
references/
core_concepts.md- 表达式、惰性求值和类型系统的详细说明operations.md- 所有常见操作及示例的全面指南pandas_migration.md- 从 pandas 迁移到 Polars 的完整指南io_guide.md- 所有支持格式的数据 I/O 操作transformations.md- 连接、拼接、透视和重塑操作best_practices.md- 性能优化技巧和常见模式
当用户需要特定主题的详细信息时,请按需加载这些参考文档。