PyTables学习（数据保存形式，对象树结构）

2024-03-01 21:57:46

参考自http://www.pytables.org/usersguide/introduction.html

PyTables的主要目的是提供一个好的操作HDF5文件的方法。

HDF文件是分层数据格式(Hierarchical Data Format)的简称。数据主要由组(Groups)和数据集(Datasets)组成。其中，组的作用类似于文件夹，用于包含数据集或者其他组。组之间层层包含，构成了分层次的结构。由于HDF5文件具有分层存储的特点，可以保存元数据，支持多种压缩模式，具有即时压缩的特点。因此HDF5文件非常适合存储大容量，包含元信息的科学数据。

PyTables的数据形式

在PyTables中的数据集主要有两种形式：表(tables)和数组(array)。

其中，表是由结构相同的记录(records)组成。记录存储了不同的字段(fields)，每个字段的存储的变量的数据类型是相同的。在HDF5的术语中，表中的记录也被称为复合数据类型。

比如，声明一个类(class)，包含命名的字段和类型信息：

class Particle(IsDescription):
    name      = StringCol(16)   # 16-character String
    idnumber  = Int64Col()      # signed 64-bit integer
    ADCcount  = UInt16Col()     # unsigned short integer
    TDCcount  = UInt8Col()      # unsigned byte
    grid_i    = Int32Col()      # integer
    grid_j    = Int32Col()      # integer

    # A sub-structure (nested data-type)
    class Properties(IsDescription):
        pressure = Float32Col(shape=(2,3)) # 2-D float array (single-precision)
        energy   = Float64Col(shape=(2,3,4)) # 3-D float array (double-precision)

之后，就可以基于这个类构造表，然后向其中写数据并保存。

另一个重要的是数组，他类似于表，但不同之处在于其中所有的组件都是同构的。它们有不同的特点，比如泛型，可扩展，可变长度。

主要特性

Pytables具有如下优点：Python所具备的面向对象和可内省，HDF5强大的数据管理功能，NumPy的灵活性，以及Numexpr对大规模网格对象数据的操作能力。具有以下特性：

支持表实体：可以定制数据，在表中添加或删除记录。还支持大量行（最多 2**63，远超出内存容量）。
多维和嵌套表的单元格：表中的元素可以是任意维度的数据。可以声明由其他列组成的列。
对表列的索引支持：对于大型表，并且想要快速查找满足某些条件的列中的值，则非常有用。
支持数值数组：NumPy数组，可用作表的有用补充，以存储同类数据。
可扩展的数组：在磁盘上的现有数组中的任何一个维度添加新元素。此外，您可以使用强大的扩展切片机制访问数据集的一部分，而无需将所有完整的数据集加载到内存中。
可变长度数组：数组中的元素数量可以因行而异。这在处理复杂数据时提供了很大的灵活性。
支持分层数据模型：允许用户清晰地构建所有数据。 PyTables 在内存中构建了一个对象树，用于复制底层文件数据结构。访问文件中的对象是通过遍历和操作此对象树来实现的。
用户定义的元数据：除了支持系统元数据（如表格的行数、形状、风格等）外，还可以指定任意元数据（例如，室温或收集的 IP 流量协议）作为补充实际数据的含义。
读取/修改通用 HDF5 文件的能力：PyTables可以访问和修改大多数 HDF5 文件，例如复合类型数据集（可以映射到 Table 对象）、同构数据集（可以映射到 Array 对象）或可变长度记录数据集（可以映射到 VLArray 对象）。此外，如果一个数据集不受支持，它将被映射到一个特殊的 UnImplemented 类（请参阅 UnImplemented 类），这将使用户看到数据在那里，尽管它无法访问（仍然可以访问数据集中的属性和一些元数据）。
数据压缩：支持即时数据压缩（使用 Zlib、LZO、bzip2 和 Blosc 压缩库）。当您有重复模式时，启用压缩可以节省分析数据的时间。
高性能 I/O：表和数组对象的读写速度仅受底层 I/O 子系统性能的限制。此外，如果您的数据是可压缩的，那么这个限制也是可以克服的！
支持大于 2 GB 的文件
与架构无关：可以在大端机器（如 Sparc 或 MIPS）上编写文件并在小端机器（如 Intel 或 Alpha）上读取。此外，在 64 位平台（Intel-64、AMD-64、PowerPC-G5、MIPS、UltraSparc）上成功进行了测试。

对象树(The Object tree)

PyTables可以在一个树状结构中管理表和数组。为了实现这个功能，PyTables动态地创建了对象树的结构，从而模拟HDF5在磁盘中的存储方式。通过遍历动态树实现对HDF5对象的读取。通过检查节点的元数据(metadata)，可以了解对象中存储了什么格式的数据。

在对象树中不同的节点，是PyTables类中的实体。有几种类，但最重要的类是结点(Node)，组(Group)和叶(Leaf)类。Pytables树中所有的节点(nodes)都是结点(Node)类的实体。组和叶都是Node类的子类。组实体是包含了0个或更多个叶节点的组结构。叶实体是不再包含其他组或叶，只包含实际数据的容器。表(Table)，数组(Array)，CArray，Earray，VLArray，以及未定(UnImplemented)类则是叶的子类。

对组和叶进行操作类似于在Unix文件系统中对文件夹和文件进行操作。在 PyTables 中，对象树中的对象通常通过完整（绝对）路径名来引用。此完整路径可以指定为字符串（例如 '/subgroup2/table3'，使用"/"作分隔符），或者以自然命名访问（例如file.root.subgroup2.table3）。

并非文件中的所有数据都加载到对象树中。元数据（即，描述实际数据结构的特殊数据）仅在用户希望访问时才加载。此外，实际数据直到用户请求时才读取。使用对象树（元数据），您可以检索有关磁盘上对象的信息，例如表名、标题、列名、列中的数据类型、行数，组的形状、类型码等。您还可以在树中搜索特定类型的数据，然后读取并处理这些数据。

值得注意的是，PyTables采用了元数据缓存系统，该系统延迟加载节点（即按需加载），并卸载一段时间未使用的节点。需要强调的是，节点在未被引用之后进入缓存，并且可以直接从缓存中恢复，而无需从磁盘执行反序列化过程。此功能允许以低内存消耗快速处理具有大型层次结构的文件，同时保留以前实现的对象树的所有强大浏览功能。

为了更好地理解这个对象树实体的动态特性，让我们从一个示例PyTables脚本（可以在examples/objecttree.py中找到）开始创建一个HDF5文件：

import tables as tb

class Particle(tb.IsDescription):
    identity = tb.StringCol(itemsize=22, dflt=" ", pos=0)  # character String
    idnumber = tb.Int16Col(dflt=1, pos = 1)  # short integer
    speed    = tb.Float32Col(dflt=1, pos = 2)  # single-precision

# 以写模式打开一个文件
fileh = tb.open_file("objecttree.h5", mode = "w")

# 得到HDF5根组
root = fileh.root

# 创建组
group1 = fileh.create_group(root, "group1")
group2 = fileh.create_group(root, "group2")

# 在根组中创建数组1
array1 = fileh.create_array(root, "array1", ["string", "array"], "String array")

# 分别在组1，2中创建表1，2
table1 = fileh.create_table(group1, "table1", Particle)
table2 = fileh.create_table("/group2", "table2", Particle)

# 在组1中创建最后一个表
array2 = fileh.create_array("/group1", "array2", [1,2,3,4])

# 填充表格
for table in (table1, table2):
    # Get the record object associated with the table:
    row = table.row

    # Fill the table with 10 records
    for i in range(10):
        # First, assign the values to the Particle record
        row['identity']  = f'This is particle: {i:2d}'
        row['idnumber'] = i
        row['speed']  = i * 2.

        # This injects the Record values
        row.append()

    # Flush the table buffers
    table.flush()

# Finally, close the file (this also will flush all the remaining buffers!)
fileh.close()

这个小程序创建了一个名为 objecttree.h5 的 HDF5 文件，其结构如图所示。创建文件时，对象树中的元数据会在内存中更新，而实际数据会保存到磁盘。当您关闭文件时，对象树不再可用。但是，当您重新打开此文件时，对象树将根据磁盘上的元数据在内存中重建（这是以惰性方式完成的，以便仅加载用户所需的对象），从而允许您使用它与最初创建它时的方式完全相同。

图 1：具有 2 个子组、2 个表和 1 个数组的 HDF5 示例。

在图 2 中，您可以看到读取上述 objecttree.h5 文件时创建的对象树示例（实际上，读取任何受支持的通用 HDF5 文件时总是会创建这样的对象树）。花点时间理解它是值得的，它将帮助您理解内存中 PyTables 对象的关系。

图 2：PyTables 对象树示例。

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PyTables的数据形式

主要特性

对象树(The Object tree)

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