深度学习 - 数据存储形式对比(pkl/CSV/JSON等)_深度学习中数据集以json和txt格式有区别?

在讨论深度学习中 .pkl 格式与其他常见文件格式（如 CSV、JSON、HDF5、Parquet 等）的区别时，重点可以放在它们如何处理数据的序列化、存储和读取。这些区别直接影响到文件格式的性能、存储效率和使用场景。以下是详细分析：

pickle

在大模型训练过程中，使用 .pkl 数据格式（即 Python 的 pickle 序列化格式）有以下几个原因：

1. 高效存储和加载复杂对象

• 在序列化过程中，pickle 会遍历 Python 对象的内存结构，将其内存布局转化为字节流。对于复杂对象（如嵌套字典、列表、自定义类实例等），pickle 会记录对象的内存引用关系，并在序列化时保存这种引用结构。因此，在反序列化时，pickle 可以根据存储的字节流直接在内存中重建原始对象的结构，而无需重新创建和初始化每个对象。这种方式使得处理复杂数据结构时的内存操作更加高效。

2. 节省时间

• pickle 在序列化时，将对象直接从内存转化为字节流，并保存对象的内存状态。这种直接内存映射的方式使得数据可以迅速写入或读取 .pkl 文件。在反序列化时，pickle 通过直接将字节流恢复为内存中的对象，避免了解析文本或重构对象的额外开销。这种直接的内存操作减少了 CPU 的处理时间和 I/O 操作次数，使得数据加载和保存的速度显著提高。

3. 兼容性好

-pickle 库在序列化时，会记录每个 Python 对象的类型信息和内存布局，包括类的定义、属性以及方法的引用。通过记录这些底层内存信息，pickle 可以在反序列化时准确恢复对象的类型和状态。这种机制确保了即使是复杂的、自定义的对象，也能够跨环境、跨 Python 版本进行序列化和反序列化，从而保证了兼容性。

4. 灵活性

• pickle 的灵活性来源于它对 Python 对象内存结构的深度访问能力。它不仅序列化对象的内容，还包括对象之间的引用关系和嵌套结构。在底层，pickle 会遍历对象的内存引用图，将所有相关联的对象一同序列化。这种全局的内存捕获能力使得 pickle 能够处理复杂和自定义的对象结构，而不需要额外的用户干预。

5. 数据压缩与紧凑性

• pickle 将对象直接序列化为二进制数据，而不是冗长的文本格式。这种二进制格式在存储相同信息时比文本格式更紧凑，因为它避免了文本格式化的开销（如空格、换行符、标签等）。从内存管理的角度看，二进制格式能够更紧凑地表示数据，减少了内存和磁盘的占用。此外，二进制格式的数据还更易于进行压缩处理（如使用 gzip），进一步减小文件大小。

其他存储格式

1. CSV（Comma-Separated Values）

• 内存与存储原理：
  • CSV 文件是一种纯文本格式，通常用于存储表格数据。每一行表示一条记录，列与列之间以逗号分隔。
  • 在序列化过程中，数据会被转换为字符串并逐行写入文件。在反序列化时，CSV 文件的内容需要被解析成字符串，并逐步转换回内存中的数据结构（如列表或 DataFrame）。
  • 区别：由于 CSV 是纯文本格式，它在处理复杂数据结构（如嵌套的列表、字典）时表现不佳。每次加载数据时，CSV 文件都需要进行字符串解析，数据类型需要显式转换，这使得加载和保存的效率较低。此外，CSV 文件没有包含类型信息，因此必须在加载后手动进行数据类型转换，这也增加了内存和计算的开销。

2. JSON（JavaScript Object Notation）

• 内存与存储原理：
  • JSON 文件是一种文本格式，适合存储嵌套数据结构（如字典、列表等），其格式与 Python 的数据结构较为接近。
  • 序列化时，Python 对象会被转化为 JSON 字符串，存储在文件中。反序列化时，JSON 字符串被解析回内存中的对象。
  • 区别：与 .pkl 文件相比，JSON 文件的序列化和反序列化过程需要额外的字符串解析步骤，数据结构必须逐步构建回内存。此外，JSON 只能表示基本的数据类型（如数字、字符串、列表、字典），不支持复杂的 Python 对象（如自定义类实例）。JSON 格式同样不包含数据类型信息，可能需要手动处理类型转换。相较于二进制的 .pkl 文件，JSON 的文本格式文件更大，处理速度较慢。

3. HDF5（Hierarchical Data Format version 5）

• 内存与存储原理：
  • HDF5 是一种用于存储和组织大量数据的二进制文件格式，支持多种数据类型、分层结构、压缩和随机访问。它在科学计算和大数据处理领域非常流行。
  • 序列化时，数据直接被写入一个分层的二进制文件结构中。HDF5 支持直接将大数据集的一部分载入内存而不需要全部加载（即按需加载）。
  • 区别：HDF5 在处理大规模、结构化数据时表现出色，具有高效的 I/O 操作和良好的压缩特性。然而，它的复杂性也更高，需要专门的库（如 h5py）来处理。相比之下，pickle 更加灵活，可以直接序列化 Python 中的任意对象，而 HDF5 更适合存储数值数组、表格等结构化数据。.pkl 文件的灵活性使其在处理非结构化、复杂的 Python 对象时更有优势。

4. Parquet

• 内存与存储原理：
  • Parquet 是一种基于列存储的二进制文件格式，优化了压缩和查询性能，特别适合大规模数据处理和分析。
  • 序列化时，数据被按列存储，而不是按行存储，这种方式使得在进行特定列的数据读取时效率更高，同时也能更好地压缩数据。
  • 区别：Parquet 格式适合处理大规模的表格数据，特别是在需要高效查询和分析时表现优越。然而，它对数据类型有严格要求，并不直接支持复杂的 Python 对象（如自定义类实例）。与 pickle 不同，Parquet 主要用于结构化数据，且数据在写入前需要转换为适当的数据结构（如 pandas DataFrame）。而 pickle 则可以处理任意复杂的 Python 对象，无需转换。

总结

以下是将上述内容总结成的表格，便于对比 .pkl 文件格式与其他常见文件格式在底层内存管理方面的区别：