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關于Streamlit性能優(yōu)化:緩存與狀態(tài)管理實戰(zhàn)

 更新時間：2025年04月23日 09:50:20   作者：echola_mendes  
這篇文章主要介紹了關于Streamlit性能優(yōu)化:緩存與狀態(tài)管理實戰(zhàn),具有很好的參考價值,希望對大家有所幫助,如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

Streamlit性能優(yōu)化：緩存與狀態(tài)管理

Streamlit 是一個開源的 Python 庫，專為快速構建數(shù)據(jù)科學和機器學習 Web 應用而設計。它無需前端開發(fā)經(jīng)驗，通過簡單 API 即可創(chuàng)建交互式界面，適合原型開發(fā)和數(shù)據(jù)展示

Streamlit官方地址：Streamlit • A faster way to build and share data apps

核心特性

  1. 極簡代碼：用純 Python 實現(xiàn)界面交互
  2. 實時預覽：保存代碼后自動刷新頁面
  3. 豐富組件：支持圖表、表格、滑塊、文件上傳等
  4. 無縫集成：兼容 Pandas、Matplotlib、PyTorch 等主流庫

安裝Streamlit

pip3 install streamlit

先通過一個簡單的Hello World案例來了解Streamlit

import streamlit as st

# 顯示標題
st.title("Hello World,I'm echola")

# 顯示文本
st.write("這是一個由Streamlit搭建的Web平臺")

運行：

 streamlit run hello.py

結果：

是不是很強悍，三行代碼搞定一個Web應用

運行原理

Streamlit 的運行邏輯圍繞腳本的線性執(zhí)行和響應式更新展開，其核心設計是讓開發(fā)者以極簡的方式構建交互式應用。以下是關鍵邏輯分步解析：

1、啟動Web服務器

  • Streamlit 啟動一個本地 Web 服務器，默認監(jiān)聽 8501 端口
  • 打開瀏覽器并導航到 http://localhost:8501，展示應用界面

2、解析和執(zhí)行腳本：

  • Streamlit 解析 hello.py 文件，生成抽象語法樹（AST）
  • 動態(tài)執(zhí)行腳本中的代碼，按照順序執(zhí)行每個 Streamlit 組件（如 st.title 和 st.write）

3、組件渲染

  • 每個 Streamlit 組件（如 st.title 和 st.write）會被注冊到當前頁面的狀態(tài)中
  • 頁面會根據(jù)組件的順序和內容進行渲染

4、實時更新：

  • 基于Websocket通信：瀏覽器與服務器保持長連接，腳本輸出的文本、圖表等實時推送至前端
  • 增量更新機制：Streamlit只能對比前后兩次執(zhí)行的輸出差異，僅向瀏覽器發(fā)送差異部分，也就是只更新變化的部分（而非刷新整個頁面），Streamlit 會自動重新運行政整個腳本（而非局部更新）并更新頁面，確保了開發(fā)過程中的高效性和實時性

上述增量更新可能會有一點矛盾，簡而言之就是，「全腳本執(zhí)行 + 差異更新」的設計，讓 Streamlit 在開發(fā)便捷性（無需手動管理更新）和運行效率（局部渲染）之間取得了完美平衡

（1）全腳本執(zhí)行

??：也要避免全局作用域的冗余計算（需用緩存優(yōu)化）

下來使用一個簡單的案例，來模擬Streamlit加載全腳本的耗時過程

import time
import streamlit as st

# 全腳本執(zhí)行部分：以下代碼每次交互都會運行
st.title("TimeOut Example")  # ? 標題會重復渲染，但 Streamlit 會優(yōu)化為"增量更新"

# 局部增量執(zhí)行：以下代碼僅在按鈕點擊時觸發(fā)
if st.button("Click me"):
    processing_bar = st.progress(0)  # 每次點擊時新建進度條
    with st.spinner("Loading..."):
        for percent_complete in range(100):
            time.sleep(0.05)
            processing_bar.progress(percent_complete + 1)
    st.success("Loading completed!")

當用戶點擊按鈕時，觸發(fā) if 條件判斷，顯示加載提示框 "Loading..."。開始模擬耗時操作，通過循環(huán)和 time.sleep 模擬耗時。每次循環(huán)中，更新進度條的值，進度條從0%逐漸增加到100%

直至耗時完成5s后，隱藏加載提示框，顯示成功消息框”Loading completed“

再次點擊【Click me】， 重復上述效果圖

可以從上述效果中看出，無論是頁面首次加載、按鈕點擊，還是其他組件交互（如下拉框選擇），Streamlit都會從頭到尾重新執(zhí)行整個腳本

雖然腳本會全量執(zhí)行，但Streamlit內部通過智能的組件狀態(tài)管理和緩存機制，只更頁面中發(fā)生變化的部分（如按鈕觸發(fā)的進度條），而不是刷新整個頁面

接下來會使用緩存機制進行優(yōu)化

（2）差異更新

可以高效渲染（減少網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)量和瀏覽器渲染開銷）和無縫體驗（用戶輸入狀態(tài)，如：文本框焦點、滾動條位置，不會因為局部更新而丟失）

??：也要關注復雜UI的組件鍵（Key）的穩(wěn)定性

緩存機制

為什么使用緩存？

問題：每次點擊click按鈕時，代碼會從執(zhí)行整個耗時操作（for循環(huán)+time.sleep）,即使操作結果不變

緩存的作用：將耗時操作的結果緩存起來，后續(xù)重復調用時直接讀取緩存，避免重復計算

解決重復計算問題：通過裝飾器@st.cache_data（緩存數(shù)據(jù)）或@st.cache_resource（緩存資源如模型、數(shù)據(jù)庫連接），避免腳本執(zhí)行導致的重復計算

@st.cache_data
def heavy_computation():
    # 此函數(shù)僅在輸入?yún)?shù)或代碼變更時重新執(zhí)行
    return result

使用@st.cache_data的優(yōu)化方案

那優(yōu)化一下上面提到的問題

import time
import streamlit as st

st.title("Optimize Example")

# 緩存耗時操作的結束（假設操作是無參數(shù)）
@st.cache_data
def expensive_operation():
    # 模擬耗時操作（例如：數(shù)據(jù)計算）
    result = []
    for _ in range(100):
        time.sleep(0.05)  # 假設這是實際的計算步驟
        result.append(_)  # 模擬中間結果
    return result

if st.button("Click me"):
    processing_bar = st.progress(0)  # 每次點擊時新建進度條
    with st.spinner("Loading..."):
        # 獲取數(shù)據(jù)（首次點擊執(zhí)行耗時操作，后續(xù)點擊直接讀緩存）
        data = expensive_operation()
        for percent_complete in range(len(data)):
            processing_bar.progress(percent_complete + 1)
    st.success("Loading completed!")

首次點擊【Click me】，會出現(xiàn)

大概5s后，執(zhí)行完成

重復點擊【Click me】 ，不會重復加載進度條，由于直接讀取緩存結果，無需重復計算，數(shù)據(jù)已緩存，進度條會快速更新到100%

通過 @st.cache_data 裝飾器緩存耗時操作的結果，避免每次點擊按鈕時都重新執(zhí)行耗時操作

不是所有耗時操作都必須使用緩存

緩存適用場景

需要緩存的場景：

  • 耗時操作的結果是 靜態(tài)的（例如讀取文件、初始化模型、復雜計算）。
  • 操作結果 不依賴外部變量或用戶輸入。

不適用緩存場景：

  • 操作結果 依賴動態(tài)參數(shù)（例如用戶輸入的變量），此時需通過函數(shù)參數(shù)觸發(fā)緩存更新。
  • 操作需要 實時更新（例如每次點擊都需重新計算）

如果耗時操作 依賴參數(shù)，可以通過函數(shù)參數(shù)控制緩存版本：

@st.cache_data
def expensive_operation(param1, param2):
    # 根據(jù)參數(shù)執(zhí)行不同計算
    results = []
    for _ in range(100):
        time.sleep(0.05)
        results.append(param1 + param2 + _)
    return results

# 在按鈕點擊時傳入?yún)?shù)
data = expensive_operation(10, 20)  # 參數(shù)不同會生成不同緩存

可以看出：

  • 緩存機制：通過 @st.cache_data 緩存靜態(tài)計算結果，減少重復執(zhí)行。
  • 進度條優(yōu)化：將耗時操作與進度條更新分離，首次加載緩存后，后續(xù)交互可快速完成

那上述代碼就沒有什么問題了嗎？

??接下來分析原代碼存在的弊端：

  1. 進度條重復創(chuàng)建：每次點擊按鈕都會新建processing_bar，導致多次點擊時進度條堆疊
  2. 無法阻止重復提交：在耗時操作執(zhí)行期間，用戶仍可多次點擊按鈕，導致邏輯混亂
  3. 狀態(tài)丟失：進度完成后的狀態(tài)（如success提示）無法持久化

使用st.session_state的優(yōu)化方案

1、保存進度條實例

if "processing_bar" not in st.session_state:
    st.session_state.processing_bar = None  # 初始化進度條容器

if st.button("Click me"):
    # 僅在第一次點擊時創(chuàng)建進度條
    if not st.session_state.processing_bar:
        st.session_state.processing_bar = st.progress(0)
    
    # 后續(xù)操作復用已有進度條
    with st.spinner("Loading..."):
        data = expensive_operation()
        for i in range(len(data)):
            st.session_state.processing_bar.progress(i + 1)
    
    # 完成后清空引用
    st.session_state.processing_bar = None
    st.success("Done!")

2. 防止重復提交

if "is_processing" not in st.session_state:
    st.session_state.is_processing = False  # 狀態(tài)鎖

if st.button("Click me") and not st.session_state.is_processing:
    st.session_state.is_processing = True  # 鎖定
    try:
        # 執(zhí)行耗時操作...
    finally:
        st.session_state.is_processing = False  # 釋放

3. 持久化完成狀態(tài)

if "load_complete" not in st.session_state:
    st.session_state.load_complete = False

if st.button("Click me"):
    # 執(zhí)行操作...
    st.session_state.load_complete = True

if st.session_state.load_complete:
    st.success("數(shù)據(jù)已加載完成！")
    st.balloons()  # 顯示動畫效果

完整優(yōu)化代碼

import time
import streamlit as st

st.title("Optimized Example")

# 初始化會話狀態(tài)
if "processing_bar" not in st.session_state:
    st.session_state.processing_bar = None
if "is_processing" not in st.session_state:
    st.session_state.is_processing = False
if "load_complete" not in st.session_state:
    st.session_state.load_complete = False

@st.cache_data
def expensive_operation():
    result = []
    for _ in range(100):
        time.sleep(0.05)
        result.append(_)
    return result

if st.button("Click me") and not st.session_state.is_processing:
    st.session_state.is_processing = True
    try:
        # 創(chuàng)建或復用進度條
        if not st.session_state.processing_bar:
            st.session_state.processing_bar = st.progress(0)
        
        with st.spinner("Loading..."):
            data = expensive_operation()
            for i in range(len(data)):
                st.session_state.processing_bar.progress(i + 1)
            
            st.session_state.load_complete = True
    finally:
        st.session_state.is_processing = False
        st.session_state.processing_bar = None  # 重置進度條

if st.session_state.load_complete:
    st.success("操作成功！")
    st.balloons()

關鍵作用總結

會話狀態(tài)項功能說明
processing_bar保持進度條對象引用，防止重復創(chuàng)建
is_processing實現(xiàn)類似互斥鎖，防止重復提交
load_complete持久化完成狀態(tài)，實現(xiàn)跨腳本執(zhí)行記憶

通過 st.session_state 實現(xiàn)了：

  1. 狀態(tài)持久化：在 Streamlit 的全腳本重執(zhí)行機制中保持關鍵狀態(tài)
  2. 資源管理：避免 DOM 元素重復創(chuàng)建
  3. 交互安全：防止用戶誤操作導致的邏輯沖突

這種模式特別適合需要保持復雜交互狀態(tài)的場景（如多步驟表單、長任務處理）

總結

通過 緩存機制 減少重復計算，結合 st.session_state 管理會話狀態(tài)，Streamlit 可以高效處理復雜交互場景，同時保持代碼簡潔和用戶體驗流暢。

這種優(yōu)化策略尤其適合需要頻繁交互、狀態(tài)保持或耗時操作的 Web 應用開發(fā)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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