Примеры кода на Kotlin в Jupyter Notebook

Kotlin и Data Science

Kotlin - это прагматичный, статически типизированный JVM язык, который поддерживает написание кода как в ООП, так и в функциональном стилях, а также компилируется в различные платформы: JVM, JS, Native. Благодаря статической типизации, Котлин более производителен в больших проектах, по сравнению с Python, а также позволяет избежать Runtime errors. Сравним аналогичные примеры кода на Python и Kotlin:

Python:

import numpy as np
# ...
a = np.ones((3, 3), dtype=int) * 3
b = np.random.random((3, 3))
b *= a # Success
a *= b # TypeError at runtime

Kotlin:

// ...
val a = ones<Int>(3, 3) * 3
val b = Random.random(3, 3)
b *= a // Success
a *= b // Compilation error: 
//Type mismatch: inferred type is KtNDArray<Double> but KtNDArray<Int> was expected

Также Котлин имеет имеет такую особенность дизайна языка, как null-safety и предоставляет такие операторы, как: safe call operator, elvis operator, not-null assertion operator, что позволяет ему быть более типобезопасным, по сравнениюc с Python:

var a: String = "abc"
a = null // compilation error
var b: String? = "abc"
b = null // ok

Помимо функционального синтаксиса и конструкций, Котлин также предоставляет набор математических и machine learning библиотек, а также инструментов для Data Science, в том числе, интегрированность с Jupyter Notebook.

Установка Kotlin в Jupyter Notebook

Kernel в Jupyter Notebook - это вычислительный движок, который исполняет код в данном документе и запускается автоматически при запуске ассоциированного с ним Jupyter Notebook документа. Они существуют для разных языков, например, ipython kernel исполняет Pythod код, а Kotlin kernel - Kotlin код в Jupyter Notebook. Именно Kotlin kernel позволяет писать и запускать код в Jupyter Notebook, а также использовать библиотеки и фреймворки, написанные на Java и Kotlin.

На данный момент, установить Kotlin kernel можно только через conda:

conda install kotlin-jupyter-kernel -c jetbrains

Обратите внимание, что Kotlin Jupyter требует установленной Java 8:

apt-get install openjdk-8-jre

Поддерживаемые библиотеки

• kotlin-statistics - предоставляет расширения для функций для подсчета статистики. Поддерживает основные list/sequence/array functions, slicing operators (countBy, simpleRegressionBy, etc), binning operations, discrete PDF sampling, naive bayes classifier, clustering, linear regression, и другое
• kmath - поддерживает алгебраические структуры и операторы, математические выражения, гистограммы, потоковые операции, обертки над commons-math и koma, и другое. Вдохновлена numpy
• Krangl - предоставляет функционал для обработки данных в функциональном стиле(filter, transform, aggregate, reshape и др.) Вдохновлена pandas
• lets-plot - Мультиплатформенная библиотека для создания графиков из данных. Может использоваться не только в JVM, но также JS and Python.
• kravis - библиотека для визуализации данных.
• klaxon $-$ Котлин JSON парсер
• spark $-$ Фреймворк для распределённой обработки неструктурированных и слабоструктурированных данных
• gral $-$ Java библиотека для отображения графиков
• koma $-$ Котлин библиотека для научных вычислений
• numpy $-$ Kотлин обертка над Python NumPy
• exposed $-$ Kотлин SQL фреймворк
• mysql $-$ MySql JDBC

Добавление зависимостей

По умолчанию возможно добавлять зависимости из следующих репозиториев:

• Bintray JCenter
• Maven Central
• JitPack

Способы подключения зависимости:

@file:Repository("https://jcenter.bintray.com")
@file:DependsOn("com.beust:klaxon:5.0.1")
import com.beust.klaxon.*

Или коротким способом:

%use klaxon

Также можно указать конкретную версию зависимости:

%use krangl(0.10)

Можно указать свойства library descriptor (обязательно использовать именованные аргументы):

%use spark(scala=2.11.10, spark=2.4.2)

Подключить несколько библиотек одним выражением:

%use lets-plot, krangl, mysql(8.0.15)

Работа с JSON

Пример парсинга датасета в формате JSON с Котлин библиотекой Klaxon:

%use klaxon
import java.io.*

data class User(
val age: Int, 
val firstName: String ="", 
val lastName: String ="", 
val eyeColor: String
)

val users = Klaxon().parseArray<User>(File("users.json").readText())!!
users.count()

Функциональный стиль с библиотекой krangl

Примеры обработки данных в функциональном стиле с Kotlin stdlib:

users.filter{it.eyeColor == "green"}

users.groupBy { user -> user.eyeColor }
      .mapValues { mapEntry ->
           mapEntry.value.map { user -> user.firstName} 
       }

Примеры обработки данных в функциональном стиле с krangl

Используемые функции:

• addColumn $-$ добавление новой вычисленной по заданной функции колонки
• filter $-$ подвыборка строк по заданному условию:

 df.filter { it["age"] eq 23 }
 df.filter { it["weight"] gt 50 }
 df.filter({ it["last_name"].isMatching { startsWith("Do")  }})

• sortedBy $-$ сортировка, можно передавать множество значений, которые будут учитываться в сортировке в соответствующем порядке

 df.sortedBy("age", "weight")
 df.sortedByDescending("age")

• select и remove $-$ подвыборка строк

 df.select2 { it is IntCol }      // functional style column selection  
 df.select("last_name", "weight") // positive selection  
 df.remove("weight", "age")       // negative selection  
 df.select({ endsWith("name") })  // selector mini-language  

Обработка строк:

fun readFromJsonString(s: String) =
    s.removePrefix("JsonArray(value=[")
    .removeSuffix("])")
    .split(',')
    .dropLastWhile{it.isEmpty()}
    .toList()

val channels = DataFrame 
       .fromJson("channels.json")
       .addColumn("groups") { it["groups"].map<String>{value -> readFromJsonString(value)}} 

val modifiedChannels = channels
                      .addColumn("count"){it["groups"].map<List<*>>{it.count()}}
                      .filter{it["score"] gt 50}
                      .filter{it["age (y)"] lt 40}
                      .select("name", "score", "count", "groups")
                      .sortedByDescending("score")

Больше примеров с ипользованием библиотеки krangl - https://github.com/Kotlin/kotlin-jupyter/blob/master/samples/Krangl.ipynb

Построение графиков

Lets-plot

Подробнее о настройках и параметрах графиков в Lets-plot: https://github.com/JetBrains/lets-plot-kotlin/blob/master/docs/guide/user_guide.ipynb

lets_plot(eyes) + stat_count() + ggsize(500,300)

val rand = java.util.Random()

val data = mapOf<String, Any>(
    "rating" to List(200) { rand.nextGaussian() } + List(200) { rand.nextGaussian() * 1.5 + 1.5 },
    "cond" to List(200) { "A" } + List(200) { "B" }
 )
var p = lets_plot(data)
p += geom_density(color="dark_green", alpha=.3) {x="rating"; fill="cond"}
p + ggsize(500, 250)

lets_plot(mapOf(
   "date" to usages.select("DateTime").collectAsList().map{(it[0] as Timestamp).getTime()},
   "usage" to usages.select("users").collectAsList().map{it[0]}
)) +
geom_bar(stat = Stat.identity){x = "date"; y = "usage"; fill ="usage"} +
scale_x_datetime() +
scale_fill_hue()+
qqsize(800, 400)

Библиотека Kravis

Подробнее - https://github.com/holgerbrandl/kravis

%use kravis, krangl 
val sleepData = DataFrame.fromJson("data.json"). 
    .addColumn("rem_proportion") { it["sleep_rem"] / it["sleep_total"] } 
    .plot(x = "sleep_total", y = "rem_proportion", color = "vore", size = "brainwt") 
        .geomPoint(alpha = 0.7) 
        .guides(size = LegendType.none) 
        .title("Correlation between dream and total sleep time") 

Библиотека Gral

Исходный код - https://github.com/Kotlin/kotlin-jupyter/blob/master/samples/Gral.ipynb

Источники

1. Kotlinlang — Официальный сайт языка Kotlin
2. Kotlin For Python Developers Documentation — Документация языка Kotlin для разработчиков на Python
3. kotlin-jupyter on GitHub
4. Примеры kotlin-jupyter
5. KotlinConf 2019: Using Kotlin for Data Science