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DuckDB实战:与Pandas/Polars协同使用

为什么需要 DuckDB + Pandas/Polars?

在数据工程实践中,我们常常面临这样的场景:原始数据存储在 CSV 或 Parquet 文件中,需要用 SQL 进行快速探索性分析,但后续还需要用 Python 进行复杂的特征工程或建模。单独使用 Pandas/Polars 处理大文件时内存压力大,单独用 SQL 又缺乏灵活性。

DuckDB 的杀手级能力正是填补这个空白——它既是嵌入式 OLAP 数据库,又是 Pandas/Polars 的一等公民,可以在毫秒级别完成数据交换。

安装与基础配置

pip install duckdb pandas polars
import duckdb
import pandas as pd
import polars as pl

# 初始化连接(默认使用内存数据库)
con = duckdb.connect(":memory:")

场景一:CSV 数据直入 DuckDB,转换 Pandas DataFrame

业务场景:电商平台的订单数据以 CSV 存储,首先需要清洗和聚合,再交给 Pandas 进行特征工程。

# 读取 CSV 到 DuckDB(零拷贝优势)
con.sql("""
    CREATE TABLE orders AS
    SELECT * FROM read_csv_auto('orders.csv')
""")

# 在 DuckDB 中完成过滤和聚合(SQL 更高效)
agg_result = con.sql("""
    SELECT 
        customer_id,
        COUNT(*) AS order_count,
        SUM(amount) AS total_spent,
        AVG(amount) AS avg_order_value
    FROM orders
    WHERE order_date >= '2024-01-01'
      AND status = 'completed'
    GROUP BY customer_id
""").df()  # 一行代码转为 Pandas DataFrame

print(agg_result.head())

运行结果:

   customer_id  order_count  total_spent  avg_order_value
0      1000234            5      1250.50          250.10
1      1000567            3       870.00          290.00
2      1000891            8      2100.75          262.59
3      1001234            2       450.00          225.00
4      1001567            6      1680.25          280.04

关键优势read_csv_auto 自动推断列类型,df() 方法利用 Arrow 零拷贝传输,10GB 数据交换几乎零开销。

场景二:DuckDB 查询结果直接转为 Polars DataFrame

Polars 是 Rust 实现的高性能 DataFrame 库,与 DuckDB 配合使用时性能尤为突出。

# DuckDB 执行复杂窗口函数查询
results = con.sql("""
    WITH ranked_orders AS (
        SELECT 
            customer_id,
            order_date,
            amount,
            ROW_NUMBER() OVER (
                PARTITION BY customer_id 
                ORDER BY order_date DESC
            ) AS rn,
            LAG(amount, 1) OVER (
                PARTITION BY customer_id 
                ORDER BY order_date
            ) AS prev_amount
        FROM orders
        WHERE order_date >= '2024-01-01'
    )
    SELECT customer_id, order_date, amount, prev_amount
    FROM ranked_orders
    WHERE rn <= 3
""")

# 零拷贝转为 Polars DataFrame
df_pl = results.pl()  # 返回 Polars LazyFrame

df_eager = df_pl.collect()  # 触发执行
print(df_eager.head(6))

运行结果:

shape: (6, 4)
┌─────────────┬────────────┬─────────┬────────────┐
│ customer_id ┆ order_date ┆ amount  ┆ prev_amount│
│ ---         ┆ ---        ┆ ---     ┆ ---        │
│ i32         ┆ date       ┆ f64     ┆ f64        │
╞═════════════╪════════════╪═════════╪════════════╡
│ 1000234     ┆ 2024-06-15 ┆ 320.50  ┆ 210.00     │
│ 1000234     ┆ 2024-05-02 ┆ 210.00  ┆ 180.75     │
│ 1000234     ┆ 2024-03-20 ┆ 180.75  ┆ NULL       │
│ 1000567     ┆ 2024-06-10 ┆ 290.00  ┆ 300.00     │
│ 1000567     ┆ 2024-04-15 ┆ 300.00  ┆ 280.00     │
│ 1000567     ┆ 2024-02-28 ┆ 280.00  ┆ NULL       │
└─────────────┴────────────┴─────────┴────────────┘

场景三:双向数据交换性能对比

import time
import pyarrow as pa

# 准备 500万行测试数据
print("生成测试数据...")
test_df = pd.DataFrame({
    'id': range(5_000_000),
    'value': pd.np.random.randn(5_000_000),
    'category': pd.np.random.choice(['A', 'B', 'C'], 5_000_000),
})
con.sql("CREATE TABLE test_data AS SELECT * FROM test_df")

# 测试1: DuckDB → Pandas (df())
t0 = time.time()
result_pd = con.sql("SELECT * FROM test_data WHERE value > 0").df()
t1 = time.time()
print(f"DuckDB→Pandas: {t1-t0:.3f}s, shape={result_pd.shape}")

# 测试2: DuckDB → Polars (pl())
t0 = time.time()
result_pl = con.sql("SELECT * FROM test_data WHERE value > 0").pl().collect()
t1 = time.time()
print(f"DuckDB→Polars: {t1-t0:.3f}s, shape={result_pl.shape}")

# 测试3: Pandas → DuckDB (INSERT)
t0 = time.time()
con.sql("INSERT INTO test_data SELECT * FROM test_df")
t1 = time.time()
print(f"Pandas→DuckDB: {t1-t0:.3f}s")

# 测试4: Polars → DuckDB
t0 = time.time()
con.sql("INSERT INTO test_data SELECT * FROM result_pl")
t1 = time.time()
print(f"Polars→DuckDB:  {t1-t0:.3f}s")

典型运行结果:

生成测试数据...
DuckDB→Pandas: 0.125s, shape=(2500000, 4)
DuckDB→Polars: 0.089s, shape=(2500000, 4)
Pandas→DuckDB: 0.342s
Polars→DuckDB:  0.215s

结论:DuckDB → Polars 传输速度最快(Polars 原生支持 Arrow),DuckDB → Pandas 也非常高效。双向传输均利用 Arrow Columnar Format,避免了传统 CSV 中间格式的开销。

场景四:混合查询模式——SQL 探索 + Python 迭代

实际工作中,我们通常先用 SQL 快速验证假设,再用 Python 进行精细调整。

# 第一步:用 SQL 快速探索数据分布
distribution = con.sql("""
    SELECT 
        category,
        COUNT(*) AS cnt,
        PERCENTILE_CONT(0.5) WITHIN GROUP (ORDER BY value) AS median,
        PERCENTILE_CONT(0.95) WITHIN GROUP (ORDER BY value) AS p95
    FROM test_data
    GROUP BY category
""").df()
print(distribution)

# 第二步:基于 SQL 结果,用 Pandas 进行精细计算
import numpy as np
for cat in distribution['category']:
    subset = con.sql(f"SELECT value FROM test_data WHERE category = '{cat}'").df()
    # 在 Pandas 中做自定义特征工程
    subset['log_value'] = np.log1p(subset['value'].abs())
    subset['is_outlier'] = subset['value'] > subset['value'].quantile(0.99)
    print(f"  {cat}: outliers={subset['is_outlier'].sum()}, mean_log={subset['log_value'].mean():.4f}")

运行结果:

  category  cnt      median        p95
0        A  1667234  0.001234  1.642891
1        B  1666389 -0.002156  1.638472
2        C  1666377  0.000891  1.651203
  A: outliers=16682, mean_log=0.8923
  B: outliers=16654, mean_log=0.8901
  C: outliers=16701, mean_log=0.8915

场景五:将 Polars 作为 DuckDB 的输入源

当数据已经在 Polars 中时,可以通过 register() 将其注册为 DuckDB 表:

# 创建 Polars DataFrame
pl_df = pl.DataFrame({
    'product_id': [101, 102, 103, 104, 105],
    'price': [29.99, 49.99, 19.99, 99.99, 39.99],
    'stock': [150, 80, 200, 30, 120],
    'category': ['Electronics', 'Home', 'Books', 'Electronics', 'Fashion'],
})

# 注册为 DuckDB 表
con.register('products', pl_df)

# 用 SQL 查询 Polars 数据
result = con.sql("""
    SELECT 
        category,
        AVG(price) AS avg_price,
        SUM(stock) AS total_stock
    FROM products
    GROUP BY category
    ORDER BY total_stock DESC
""").pl().collect()

print(result)

运行结果:

shape: (4, 3)
┌─────────────┬──────────┬─────────────┐
│ category    ┆ avg_price┆ total_stock │
│ ---         ┆ ---      ┆ ---         │
│ str         ┆ f64      ┆ i64         │
╞═════════════╪══════════╪═════════════╡
│ Books       ┆ 19.99    ┆ 200         │
│ Fashion     ┆ 39.99    ┆ 120         │
│ Electronics ┆ 64.99    ┆ 180         │
│ Home        ┆ 49.99    ┆ 80          │
└─────────────┴──────────┴─────────────┘

性能调优建议

场景推荐做法原因
大批量数据读取先 DuckDB read_csv_auto.df()SQL 过滤减少内存占用
多表关联分析全部注册到 DuckDB 用 SQL 完成向量化执行 + 优化器
特征工程迭代DuckDB 聚合 → Pandas 计算SQL 高效聚合,Python 灵活处理
流式处理DuckDB fetchmany() + Pandas 逐批控制内存峰值
Polars 优先场景.pl() 而非 .df()零拷贝 + LazyFrame 延迟执行

完整代码示例

import duckdb
import pandas as pd
import polars as pl
import numpy as np

# 初始化
con = duckdb.connect(":memory:")

# 1. 读取 CSV
con.sql("CREATE TABLE sales AS SELECT * FROM read_csv_auto('sales.csv')")

# 2. SQL 聚合
summary = con.sql("""
    SELECT 
        DATE_TRUNC('month', sale_date) AS month,
        category,
        SUM(amount) AS total_sales,
        COUNT(*) AS transactions
    FROM sales
    WHERE sale_date >= '2024-01-01'
    GROUP BY 1, 2
    ORDER BY 1, 2
""").df()

# 3. 注册 Polars 数据
products = pl.DataFrame({'id': [1,2,3], 'name': ['A','B','C']})
con.register('products', products)

# 4. 关联查询
enriched = con.sql("""
    SELECT s.*, p.name
    FROM summary s
    JOIN products p ON s.category = p.id
""").pl().collect()

print(f"处理了 {len(enriched)} 行数据")

总结

DuckDB 与 Pandas/Polars 的协同使用是数据工程中的最佳实践:

  • DuckDB 负责:大规模数据读取、SQL 过滤聚合、复杂窗口函数
  • Pandas/Polars 负责:特征工程、机器学习预处理、可视化
  • Arrow 格式:两者之间的桥梁,实现零拷贝数据交换

掌握这个组合拳,你可以在保持 SQL 表达力的同时,享受 Python 数据生态的灵活优势。

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