来自 Pandas 的 DateTime 超强时间序列总结
The following article is from 萝卜大杂烩 Author 周萝卜
对于 Pandas 来说，可以处理众多的数据类型，其中最有趣和最重要的数据类型之一就是时间序列数据。时间序列数据无处不在，它在各个行业都有很多应用。患者健康指标、股票价格变化、天气记录、经济指标、服务器、网络、传感器和应用程序性能监控都是时间序列数据的应用方向
我们可以将时间序列数据定义为在不同时间间隔获得并按时间顺序排列的数据点的集合
Pandas 基本上是为分析金融时间序列数据而开发的，并为处理时间、日期和时间序列数据提供了一整套全面的框架
今天我们来讨论在 Pandas 中处理日期和时间的多个方面，具体包含如下内容：
Timestamp 和 Period 对象的功能 如何使用时间序列 DataFrames 如何对时间序列进行切片 DateTimeIndex 对象及其方法 如何重新采样时间序列数据
探索 Pandas 时间戳和周期对象
Pandas 库提供了一个名为 Timestamp 的具有纳秒精度的 DateTime 对象来处理日期和时间值。Timestamp 对象派生自 NumPy 的 datetime64 数据类型，使其比 Python 的 DateTime 对象更准确而且更快。下面让我们使用 Timestamp 构造函数创建一些 Timestamp 对象。
import pandas as pd
import numpy as np
from IPython.display import display
print(pd.Timestamp(year=1982, month=9, day=4, hour=1, minute=35, second=10))
print(pd.Timestamp('1982-09-04 1:35.18'))
print(pd.Timestamp('Sep 04, 1982 1:35.18'))
Output:
1982-09-04 01:35:10
1982-09-04 01:35:10
1982-09-04 01:35:10
如果将单个整数或浮点值传递给 Timestamp 构造函数，它会返回一个时间戳，该时间戳等于 Unix 纪元（1970 年 1 月 1 日）之后的纳秒数：
print(pd.Timestamp(5000))
Output:
1970-01-01 00:00:00.000005
Timestamp 对象包含许多方法和属性，可帮助我们访问时间戳的不同功能。让我们尝试一下：
time_stamp = pd.Timestamp('2022-02-09')
print('{}, {} {}, {}'.format(time_stamp.day_name(), time_stamp.month_name(), time_stamp.day, time_stamp.year))
Output:
Wednesday, February 9, 2022
Timestamp 类的一个实例代表一个时间点，而 Period 对象的一个实例代表一个时期，例如一年、一个月等
例如，公司在一年的时间里监控他们的收入。Pandas 库提供了一个名为 Period 的对象来处理，如下所示：
year = pd.Period('2021')
display(year)
Output:
Period('2021', 'A-DEC')
我们可以看到它创建了一个代表 2021 年期间的 Period 对象，而“A-DEC”表示该期间是年度的，在 12 月结束
Period 对象提供了许多有用的方法和属性。例如，如果要返回期间的开始和结束时间，可以使用以下属性：
print('Start Time:', year.start_time)
print('End Time:', year.end_time)
Output:
Start Time: 2021-01-01 00:00:00
End Time: 2021-12-31 23:59:59.999999999
要创建每月期间，可以将特定月份传递给它，如下所示
month = pd.Period('2022-01')
display(month)
print('Start Time:', month.start_time)
print('End Time:', month.end_time)
Output:
Period('2022-01', 'M')
Start Time: 2022-01-01 00:00:00
End Time: 2022-01-31 23:59:59.999999999
“M”表示周期的频率是每月一次。还可以使用 freq 参数显式指定周期的频率。下面的代码创建了一个代表 2022 年 1 月 1 日期间的期间对象：
day = pd.Period('2022-01', freq='D')
display(day)
print('Start Time:', day.start_time)
print('End Time:', day.end_time)
Output:
Period('2022-01-01', 'D')
Start Time: 2022-01-01 00:00:00
End Time: 2022-01-01 23:59:59.999999999
我们还可以对周期对象执行算术运算。让我们创建一个每小时频率的新 period 对象，看看我们如何进行计算：
hour = pd.Period('2022-02-09 16:00:00', freq='H')
display(hour)
display(hour + 2)
display(hour - 2)
Output:
Period('2022-02-09 16:00', 'H')
Period('2022-02-09 18:00', 'H')
Period('2022-02-09 14:00', 'H')
我们可以使用 Pandas 日期偏移量获得相同的结果：
display(hour + pd.offsets.Hour(+2))
display(hour + pd.offsets.Hour(-2))
Output:
Period('2022-02-09 18:00', 'H')
Period('2022-02-09 14:00', 'H')
要创建日期序列，可以使用 pandas range_dates() 方法。让我们在代码片段中尝试一下：
week = pd.date_range('2022-2-7', periods=7)
for day in week:
print('{}-{}\t{}'.format(day.day_of_week, day.day_name(), day.date()))
Output:
0-Monday 2022-02-07
1-Tuesday 2022-02-08
2-Wednesday 2022-02-09
3-Thursday 2022-02-10
4-Friday 2022-02-11
5-Saturday 2022-02-12
6-Sunday 2022-02-13
week 的数据类型是 DatetimeIndex 对象，一周中的每个日期都是 Timestamp 的一个实例。所以我们可以使用所有适用于 Timestamp 对象的方法和属性
创建时间序列数据框
首先，让我们通过从 CSV 文件中读取数据来创建一个 DataFrame，该文件包含与连续 34 天每小时记录的 50 台服务器相关的关键信息：
df = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/m-mehdi/pandas_tutorials/main/server_util.csv')
display(df.head())
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
0 2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
1 2019-03-06 01:00:00 100 0.49 0.51 58
2 2019-03-06 02:00:00 100 0.49 0.54 53
3 2019-03-06 03:00:00 100 0.44 0.56 49
4 2019-03-06 04:00:00 100 0.42 0.52 54
让我们看一下 DataFrame 的内容。每个 DataFrame 行代表服务器的基本性能指标，包括特定时间戳的 CPU 利用率、可用内存和会话计数。DataFrame 分解为一小时的片段。例如，从午夜到凌晨 4 点记录的性能指标位于 DataFrame 的前五行
现在，让我们详细了解一下 DataFrame 的特性，例如它的大小和每列的数据类型：
print(df.info())
Output:
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 40800 entries, 0 to 40799
Data columns (total 5 columns):
# Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- -----
0 datetime 40800 non-null object
1 server_id 40800 non-null int64
2 cpu_utilization 40800 non-null float64
3 free_memory 40800 non-null float64
4 session_count 40800 non-null int64
dtypes: float64(2), int64(2), object(1)
memory usage: 1.6+ MB
None
运行上面的语句会返回行数和列数、总内存使用量、每列的数据类型等
根据上面的信息，datetime 列的数据类型是对象，这意味着时间戳存储为字符串值。要将 datetime 列的数据类型从 string 对象转换为 datetime64 对象，我们可以使用 pandas 的 to_datetime() 方法，如下：
df['datetime'] = pd.to_datetime(df['datetime'])
当我们通过导入 CSV 文件创建 DataFrame 时，日期/时间值被视为字符串对象，而不是 DateTime 对象。pandas to_datetime() 方法将存储在 DataFrame 列中的日期/时间值转换为 DateTime 对象。将日期/时间值作为 DateTime 对象使操作它们变得更加容易。运行以下语句并查看更改：
print(df.info())
Output:
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 40800 entries, 0 to 40799
Data columns (total 5 columns):
# Column Non-Null Count Dtype
--- ------ -------------- -----
0 datetime 40800 non-null datetime64[ns]
1 server_id 40800 non-null int64
2 cpu_utilization 40800 non-null float64
3 free_memory 40800 non-null float64
4 session_count 40800 non-null int64
dtypes: datetime64[ns](1), float64(2), int64(2)
memory usage: 1.6 MB
None
现在 datetime 列的数据类型是 datetime64[ns] 对象。[ns] 表示基于纳秒的时间格式，它指定 DateTime 对象的精度
此外，我们可以让 pandas 的 read_csv() 方法将某些列解析为 DataTime 对象，这比使用 to_datetime() 方法更直接。让我们尝试一下：
df = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/m-mehdi/pandas_tutorials/main/server_util.csv', parse_dates=['datetime'])
print(df.head())
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
0 2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
1 2019-03-06 01:00:00 100 0.49 0.51 58
2 2019-03-06 02:00:00 100 0.49 0.54 53
3 2019-03-06 03:00:00 100 0.44 0.56 49
4 2019-03-06 04:00:00 100 0.42 0.52 54
运行上面的代码会创建一个 DataFrame，其中 datetime 列的数据类型是 DateTime 对象
下面让我们对 datetime 列应用一些基本方法
首先，让我们看看如何在 DataFrame 中返回最早和最晚的日期。为此，我们可以简单地在 datetime 列上应用 max() 和 min() 方法，如下所示：
display(df.datetime.min())
display(df.datetime.max())
Output:
Timestamp('2019-03-06 00:00:00')
Timestamp('2019-04-08 23:00:00')
要选择两个特定日期之间的 DataFrame 行，我们可以创建一个布尔掩码并使用 .loc 方法过滤特定日期范围内的行：
mask = (df.datetime >= pd.Timestamp('2019-03-06')) & (df.datetime < pd.Timestamp('2019-03-07'))
display(df.loc[mask])
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
0 2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
1 2019-03-06 01:00:00 100 0.49 0.51 58
2 2019-03-06 02:00:00 100 0.49 0.54 53
3 2019-03-06 03:00:00 100 0.44 0.56 49
4 2019-03-06 04:00:00 100 0.42 0.52 54
… … … … … …
40003 2019-03-06 19:00:00 149 0.74 0.24 81
40004 2019-03-06 20:00:00 149 0.73 0.23 81
40005 2019-03-06 21:00:00 149 0.79 0.29 83
40006 2019-03-06 22:00:00 149 0.73 0.29 82
40007 2019-03-06 23:00:00 149 0.75 0.24 84
1200 rows × 5 columns切片时间序列
为了使时间戳切片成为可能，我们需要将 datetime 列设置为 DataFrame 的索引。要将列设置为 DataFrame 的索引，请使用 set_index 方法：
df.set_index('datetime', inplace=True)
print(df)
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
2019-03-06 01:00:00 100 0.49 0.51 58
2019-03-06 02:00:00 100 0.49 0.54 53
2019-03-06 03:00:00 100 0.44 0.56 49
2019-03-06 04:00:00 100 0.42 0.52 54
... ... ... ... ...
2019-04-08 19:00:00 149 0.73 0.20 81
2019-04-08 20:00:00 149 0.75 0.25 83
2019-04-08 21:00:00 149 0.80 0.26 82
2019-04-08 22:00:00 149 0.75 0.29 82
2019-04-08 23:00:00 149 0.75 0.24 80
[40800 rows x 4 columns]
要使用 .loc 方法选择等于单个索引的所有行：
print(df.loc['2019-03-07 02:00:00'].head(5))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-07 02:00:00 100 0.44 0.50 56
2019-03-07 02:00:00 101 0.78 0.21 87
2019-03-07 02:00:00 102 0.75 0.27 80
2019-03-07 02:00:00 103 0.76 0.28 85
2019-03-07 02:00:00 104 0.74 0.24 77
可以选择与索引列中的特定时间戳部分匹配的行。让我们尝试一下：
print(df.loc['2019-03-07'].head(5))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-07 00:00:00 100 0.51 0.52 55
2019-03-07 01:00:00 100 0.46 0.50 49
2019-03-07 02:00:00 100 0.44 0.50 56
2019-03-07 03:00:00 100 0.45 0.52 51
2019-03-07 04:00:00 100 0.42 0.50 53
选择字符串可以是任何标准的日期格式，我们来看一些例子：
df.loc['Apr 2019']
df.loc['8th April 2019']
df.loc['April 05, 2019 5pm']
我们还可以使用 .loc 方法对日期范围内的行进行切片。以下语句将返回从 2019 年 4 月 3 日到 2019 年 4 月 4 日结束的所有行；开始日期和结束日期都包括在内：
display(df.loc['03-04-2019':'04-04-2019'])
但是运行它会引发一个令人讨厌的未来警告。为了摆脱警告，我们可以在切片行之前对索引进行排序：
display(df.sort_index().loc['03-04-2019':'04-04-2019'])
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
2019-03-06 00:00:00 135 0.50 0.55 55
2019-03-06 00:00:00 110 0.54 0.40 61
2019-03-06 00:00:00 136 0.58 0.40 64
2019-03-06 00:00:00 109 0.57 0.41 61
… … … … …
2019-04-04 23:00:00 143 0.43 0.52 50
2019-04-04 23:00:00 111 0.53 0.52 59
2019-04-04 23:00:00 149 0.75 0.24 85
2019-04-04 23:00:00 138 0.40 0.56 47
2019-04-04 23:00:00 107 0.63 0.33 73
36000 rows × 4 columns
DateTimeIndex 方法
某些 pandas DataFrame 方法仅适用于 DateTimeIndex。下面我们来具体看一下，首先让我们确保我们的 DataFrame 有一个 DateTimeIndex：
print(type(df.index))
Output:
<class 'pandas.core.indexes.datetimes.DatetimeIndex'>
要返回在特定时间收集的服务器监控数据，无论日期如何，请使用 at_time() 方法：
display(df.at_time('09:00'))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 09:00:00 100 0.48 0.51 51
2019-03-07 09:00:00 100 0.45 0.49 56
2019-03-08 09:00:00 100 0.45 0.53 53
2019-03-09 09:00:00 100 0.45 0.51 53
2019-03-10 09:00:00 100 0.49 0.55 55
… … … … …
2019-04-04 09:00:00 149 0.75 0.21 80
2019-04-05 09:00:00 149 0.71 0.26 83
2019-04-06 09:00:00 149 0.75 0.30 83
2019-04-07 09:00:00 149 0.81 0.28 77
2019-04-08 09:00:00 149 0.82 0.24 86
1700 rows × 4 columns
此外，要选择所有日期午夜和凌晨 2 点之间的所有服务器数据，可以使用 between_time() 方法。让我们尝试一下：
display(df.between_time('00:00','02:00'))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 00:00:00 100 0.40 0.54 52
2019-03-06 01:00:00 100 0.49 0.51 58
2019-03-06 02:00:00 100 0.49 0.54 53
2019-03-07 00:00:00 100 0.51 0.52 55
2019-03-07 01:00:00 100 0.46 0.50 49
… … … … …
2019-04-07 01:00:00 149 0.74 0.21 78
2019-04-07 02:00:00 149 0.76 0.26 74
2019-04-08 00:00:00 149 0.75 0.28 75
2019-04-08 01:00:00 149 0.69 0.27 79
2019-04-08 02:00:00 149 0.78 0.20 85
5100 rows × 4 columns
我们可以使用 first() 方法根据特定的日期偏移量选择第一个 DataFrame 行。例如，将 5B 作为日期偏移量传递给该方法会返回前五个工作日内具有索引的所有行。同样，将 1W 传递给 last() 方法会返回上周内所有带有索引的 DataFrame 行。需要注意的是，必须按其索引对 DataFrame 进行排序，以确保这些方法有效。让我们试试这两个例子：
display(df.sort_index().first('5B'))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 100 0.40 0.54 52
2019-03-06 135 0.50 0.55 55
2019-03-06 110 0.54 0.40 61
2019-03-06 136 0.58 0.40 64
2019-03-06 109 0.57 0.41 61
… … … … …
2019-03-12 134 0.53 0.45 61
2019-03-12 144 0.68 0.31 73
2019-03-12 113 0.76 0.24 83
2019-03-12 114 0.58 0.48 67
2019-03-12 131 0.58 0.42 67
7250 rows × 4 columns
display(df.sort_index().last('1W'))
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-04-08 00:00:00 106 0.44 0.62 49
2019-04-08 00:00:00 112 0.72 0.29 81
2019-04-08 00:00:00 100 0.43 0.54 51
2019-04-08 00:00:00 137 0.75 0.28 83
2019-04-08 00:00:00 110 0.61 0.40 62
… … … … …
2019-04-08 23:00:00 128 0.64 0.41 64
2019-04-08 23:00:00 127 0.67 0.33 78
2019-04-08 23:00:00 126 0.71 0.33 73
2019-04-08 23:00:00 123 0.71 0.22 83
2019-04-08 23:00:00 149 0.75 0.24 80
1200 rows × 4 columns
df.sort_index().last('2W')
Output:
datetime server_id cpu_utilization free_memory session_count
2019-04-01 00:00:00 120 0.54 0.48 63
2019-04-01 00:00:00 104 0.73 0.31 83
2019-04-01 00:00:00 103 0.77 0.22 82
2019-04-01 00:00:00 124 0.39 0.55 49
2019-04-01 00:00:00 127 0.68 0.37 73
… … … … …
2019-04-08 23:00:00 128 0.64 0.41 64
2019-04-08 23:00:00 127 0.67 0.33 78
2019-04-08 23:00:00 126 0.71 0.33 73
2019-04-08 23:00:00 123 0.71 0.22 83
2019-04-08 23:00:00 149 0.75 0.24 80
9600 rows × 4 columns重新采样时间序列数据
resample() 方法背后的逻辑类似于 groupby() 方法。它在任何可能的时间段内对数据进行分组。虽然我们可以使用 resample() 方法进行上采样和下采样，但我们将重点介绍如何使用它来执行下采样，这会降低时间序列数据的频率——例如，将每小时的时间序列数据转换为每日或 每日时间序列数据到每月
以下示例返回服务器 ID 100 每天的平均 CPU 利用率、可用内存和活动会话计数。为此，我们首先需要过滤 DataFrame 中服务器 ID 为 100 的行，然后将每小时数据重新采样为每日数据。最后，对结果应用 mean() 方法，得到三个指标的每日平均值：
df[df.server_id == 100].resample('D')['cpu_utilization', 'free_memory', 'session_count'].mean()
Output:
datetime cpu_utilization free_memory session_count
2019-03-06 0.470417 0.535417 53.000000
2019-03-07 0.455417 0.525417 53.666667
2019-03-08 0.478333 0.532917 54.541667
2019-03-09 0.472917 0.523333 54.166667
2019-03-10 0.465000 0.527500 54.041667
2019-03-11 0.469583 0.528750 53.916667
2019-03-12 0.475000 0.533333 53.750000
2019-03-13 0.462917 0.521667 52.541667
2019-03-14 0.472083 0.532500 54.875000
2019-03-15 0.470417 0.530417 53.500000
2019-03-16 0.463750 0.530833 54.416667
2019-03-17 0.472917 0.532917 52.041667
2019-03-18 0.475417 0.535000 53.333333
2019-03-19 0.460833 0.546667 54.791667
...
我们还可以通过链接 groupby() 和 resample() 方法来查看每个服务器 ID 的相同结果。以下语句返回每个服务器每月的最大 CPU 利用率和可用内存。让我们尝试一下：
df.groupby(df.server_id).resample('M')['cpu_utilization', 'free_memory'].max()
Output:
server_id datetime cpu_utilization free_memory
100 2019-03-31 0.56 0.62
2019-04-30 0.55 0.61
101 2019-03-31 0.91 0.32
2019-04-30 0.89 0.30
102 2019-03-31 0.85 0.36
… … … …
147 2019-04-30 0.61 0.57
148 2019-03-31 0.84 0.35
2019-04-30 0.83 0.34
149 2019-03-31 0.85 0.36
2019-04-30 0.83 0.34
100 rows × 2 columns
下面让我们绘制每个服务器每月的平均 CPU 利用率，结果使我们能够充分了解每个服务器的平均 CPU 利用率在几个月内的变化
import matplotlib.pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots(figsize=(24, 8))
df.groupby(df.server_id).resample('M')['cpu_utilization'].mean()\
.plot.bar(color=['green', 'gray'], ax=ax, title='The Average Monthly CPU Utilization Comparison')
Output:
<AxesSubplot:title={'center':'The Average Monthly CPU Utilization Comparison'}, xlabel='server_id,datetime'>
写在最后
Pandas 是一种出色的分析工具，尤其是在处理时间序列数据时。该库提供了广泛的工具来处理时间索引的 DataFrame
好了，这就是今天分享的内容，如果喜欢就点个赞吧~
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