人工智能之数据分析：NumPy 数据持久化详解

引言：在数据处理过程中，NumPy 提供了多种高效的数据保存与加载机制，统称为数据持久化。这些方法适用于不同场景，如数据规模、结构复杂度以及是否需要跨平台兼容等。本文将系统介绍以下几种主要方式：

• 基础二进制和文本格式读写（np.save/np.load 等）
• 结构化数组的定义与存储
• 记录数组的基本用法
• 内存映射技术用于超大文件处理
• 其他扩展性读写方案（如 HDF5、Pickle）

.npy

.npz

.txt

一、基本数据持久化方法

1. 使用 np.save 和 np.load —— 单数组存储（推荐方式）

该方法将数组以 NumPy 专用的二进制格式保存为 .npy 文件，能够完整保留数组的类型（dtype）、维度、形状及字节序信息。

import numpy as np

# 创建并保存数组
arr = np.array([1, 2, 3, 4])
np.save('data.npy', arr)

# 加载数组
loaded = np.load('data.npy')
print(loaded)  # 输出: [1 2 3 4]

优势特点：

• 基于 C 层级 I/O，读写速度极快
• 支持任意维度和数据类型
• 自动保留所有元数据，无需额外配置

np.save()

np.load()

.npy

2. 使用 np.savez 与 np.savez_compressed —— 多数组打包存储

当需要同时保存多个数组时，可使用 np.savez 将其整合到一个 .npz 文件中。此文件本质上是 ZIP 压缩包，支持命名访问。

a = np.array([1, 2, 3])
b = np.array([[4, 5], [6, 7]])

# 无压缩保存
np.savez('arrays.npz', a=a, b=b)

# 启用压缩以节省空间
np.savez_compressed('arrays_compressed.npz', a=a, b=b)

# 加载并读取
data = np.load('arrays.npz')
print(data['a'])  # [1 2 3]
print(data['b'])  # [[4 5] [6 7]]
data.close()  # 推荐显式关闭资源，或使用 with 上下文管理

提示：.npz 文件可用普通解压工具打开查看内部包含的各个数组文件。

np.savez()

np.savez_compressed()

.npz

3. 文本格式操作：np.savetxt 与 np.loadtxt

适用于小规模、需人工查看或与其他系统交换的数据，例如 CSV 类型的表格数据。

arr = np.array([[1.1, 2.2], [3.3, 4.4]])

# 保存为文本，指定分隔符和浮点精度
np.savetxt('data.txt', arr, delimiter=',', fmt='%.2f')

# 从文本加载
loaded = np.loadtxt('data.txt', delimiter=',')

局限性：

• 仅支持一维或二维数组
• 浮点数可能因格式化而损失精度
• 读写效率较低，生成文件体积较大

np.savetxt()

np.loadtxt()

二、结构化数组（Structured Arrays）—— 存储异构数据

当数据由不同类型字段组成（如姓名、年龄、成绩），可使用结构化数组进行组织与存储。

1. 定义复合数据类型

# 自定义数据结构
dt = np.dtype([
    ('name', 'U10'),   # 最长10字符的Unicode字符串
    ('age', 'i4'),     # 32位整型
    ('score', 'f4')    # 32位单精度浮点
])

# 构建数据集
students = np.array([
    ('Alice', 20, 85.5),
    ('Bob', 22, 90.0)
], dtype=dt)

print(students['name'])  # ['Alice' 'Bob']
print(students[0])       # 第一条完整记录

2. 结构化数组的持久化

结构化数组可以直接通过 np.save 和 np.load 进行保存与恢复，字段结构完全保留。

# 保存
np.save('students.npy', students)

# 加载
loaded_students = np.load('students.npy')
print(loaded_students.dtype)  # 输出原始定义的 dtype，保持一致

这意味着整个数据结构包括字段名、类型和顺序均可完整重建。

.npy

三、记录数组（Record Arrays）—— 支持属性式访问

记录数组是结构化数组的一个子类，允许通过属性名直接访问字段（如 arr.name），提升代码可读性。

# 从已有结构化数组创建记录数组
rec_arr = np.rec.array(students)

# 或直接构造
rec_arr2 = np.rec.array([
    ('Charlie', 21, 88.0),
    ('Diana', 19, 92.5)
], dtype=dt)

# 属性方式访问
print(rec_arr.name)   # ['Alice' 'Bob']
print(rec_arr.age)    # [20 22]

注意事项：

• np.rec.array 是结构化数组的封装形式
• 官方文档建议新项目优先使用结构化数组配合字典式访问（arr['field']）
• 记录数组虽方便，但不推荐在生产环境中广泛使用

arr.name

arr['name']

np.rec.array

np.ndarray

尽管如此，记录数组仍支持标准的 np.save / np.load 操作，具备完整的持久化能力。

np.save()

四、内存映射（Memory Mapping）—— 针对超大规模数组的高效处理

当需要处理远超内存容量的大型数组时（例如几十 GB 的科学计算数据），可通过 内存映射（memmap） 技术实现按需加载，避免一次性将整个文件载入内存。

其核心原理如下：

• 原始数据存储于磁盘文件中
• NumPy 利用操作系统的虚拟内存机制，将该文件“映射”为一个数组对象
• 在访问数组特定区域时，系统自动从磁盘读取对应的数据块
• 整个过程无需预先加载全部内容到内存

np.memmap

# 创建一个约 10GB 的 float32 类型数组（仅占用磁盘空间）
filename = 'big_array.dat'
shape = (1000000, 2500)  # 约 10^10 个元素 × 每个 4 字节 ≈ 37.25 GB

# 初始化 memmap 对象（mode='w+' 表示可读写，若文件不存在则创建）
big_arr = np.memmap(filename, dtype='float32', mode='w+', shape=shape)

# 可选：初始化数值（实际写入磁盘，内存使用极少）
big_arr[:] = 0.0

# 正常使用，如同普通 NumPy 数组
big_arr[0, :10] = np.arange(10)

# 将修改强制写回磁盘（关键步骤！）
big_arr.flush()

# 后续可重新加载该文件
loaded = np.memmap(filename, dtype='float32', mode='r', shape=shape)
print(loaded[0, :10])  # 输出: [0. 1. 2. ... 9.]

常见模式说明：

'r'

'r+'

'w+'

'c'

典型应用场景包括：

• 卫星遥感图像处理
• 基因组序列数据分析
• 物理仿真中的状态快照
• 大规模嵌入向量矩阵操作

五、其他常用数据读写方式

1. Pickle —— Python 原生序列化工具

适用于保存包含 NumPy 数组在内的复杂 Python 对象（如字典、类实例等）。

import pickle

# 保存对象
with open('data.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(arr, f)

# 加载对象
with open('data.pkl', 'rb') as f:
    loaded = pickle.load(f)

局限性：

• 不具备跨语言兼容性
• 存在安全风险（反序列化可能执行恶意代码）
• 性能较低，文件体积通常大于 np.save 格式

.npy

因此，建议仅用于临时保存或调试用途，特别是涉及非纯数组结构的复合对象。

2. HDF5 —— 推荐用于大型科学数据存储

借助 h5py 库支持，HDF5 是处理大规模、多维、分层数据的理想选择。

h5py

import h5py

# 写入数据
with h5py.File('data.h5', 'w') as f:
    f.create_dataset('my_array', data=arr)
    f.create_dataset('students', data=students)  # 支持结构化数组

# 读取数据
with h5py.File('data.h5', 'r') as f:
    arr_h5 = f['my_array'][:]           # 全量加载
    partial = f['my_array'][0:10]       # 支持切片，按需读取部分数据

HDF5 的优势：

• 支持 TB 级别的超大文件
• 具备类似文件夹的层级结构组织能力
• 内置压缩功能（支持 gzip、lzf 等算法）
• 跨平台且支持多种编程语言（C/Fortran/Python/Matlab）
• 支持部分读取，性能接近内存映射

安装命令：

pip install h5py

3. Parquet / Feather —— 表格型数据专用格式

对于表格形式的数据（如结构化数组或 DataFrame），推荐结合 Pandas 使用列式存储格式。

import pandas as pd

# 将结构化数组转为 DataFrame
df = pd.DataFrame(students)

# 保存为 Parquet（高效压缩、适合大数据）
df.to_parquet('data.parquet')

# 读取恢复
df_loaded = pd.read_parquet('data.parquet')

六、不同场景下的格式选择建议

.npy

.npz

.txt

.csv

.npy

np.memmap

HDF5

HDF5

七、重要注意事项

路径与编码问题

• Windows 系统中应优先使用正斜杠或 os.path.join() 处理路径分隔符
• 涉及文本文件时需注意字符编码一致性（如 UTF-8）

pathlib

encoding='utf-8'

版本兼容性

• .npy 和 .npz 格式随 NumPy 版本更新而演进，但具备良好的向后兼容性

.npy

内存映射对象的生命周期管理

• 务必保持对 memmap 对象的引用，防止被 Python 垃圾回收提前释放
• 任何修改后都应调用 .flush() 方法确保变更持久化到磁盘

memmap

.flush()

结构化数组中字符串字段长度限制

• 定义结构化数组时，字符串字段需显式指定最大长度（如 'U20'）
• 超出长度的内容会被截断

'U10'

np.load()

.npy

memmap

HDF5