基於Python實現簡單的定時器詳解

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所謂定時器，是指間隔特定時間執行特定任務的機制。幾乎所有的編程語言，都有定時器的實現。比如，Java有util.Timer和util.TimerTask，JavaScript有setInterval和setTimeout，可以實現非常復雜的定時任務處理。然而，牛叉到無所不能的Python，卻沒有一個像樣的定時器，實在令人難以理解。

剛入門的同學一定會說：不是有個time.sleep嗎？定好鬧鐘睡大覺，鬧鐘一響，起來幹活，這不就是一個定時器嗎？沒錯，time.sleep具備定時器的基本要素，但若作為定時器使用，則有兩個致命的缺陷：一是阻塞主線程，睡覺的時候不能做任何事情；二是醒來以後需要主線程執行定時任務——即便使用線程技術，也得先由主線程來創建子線程。

說到這裡，熟悉線程模塊threading的同學也許會說：threading.Timer就是以線程方式運行的呀，既不會阻塞主線程，執行定時任務也無需主線程幹預，這不就是一個完美的定時器嗎？

我們先來看看threading.Timer是如何工作的。下面這段代碼演示瞭threading.Timer的基本用法：啟動定時器2秒鐘後以線程方式調用函數do_something，在定時器等待的2秒鐘內，以及do_something運行期間，主線程仍然可以做其他工作——此處是從鍵盤讀取輸入，借以阻塞主線程，以便觀察定時器的工作情況。

import time
import threading

def do_something(name, gender='male'):
    print(time.time(), '定時時間到，執行特定任務' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))

timer = threading.Timer(2, do_something, args=('Alice',), kwargs={'gender':'female'})
timer.start()
print(time.time(), '定時開始時間')
input('按回車鍵結束\n') # 此處阻塞住進程

正如我們所期待的那樣，定時器啟動2秒鐘後，函數do_something被調用，這期間可以隨時敲擊回車鍵結束程序。這段代碼的運行結果如下。

1627438957.4297626 定時開始時間

按回車鍵結束

1627438959.4299397 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

從使用效果看，threading.Timer稱得上是一款簡潔易用的定時器。不過，threading.Timer存在明顯的短板，那就是不支持連續的定時任務，比如，每隔2秒鐘調用一次do_something函數。如果一定要用threading.Timer實現連續定時，隻能用類似嵌套的變通方法，在do_something函數中再次啟動定時器。

import time
import threading

def do_something(name, gender='male'):
    global timer
    timer = threading.Timer(2, do_something, args=(name,), kwargs={'gender':gender})
    timer.start()
    
    print(time.time(), '定時時間到，執行特定任務' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))
    time.sleep(5)
    print(time.time(), '完成特定任務' )

timer = threading.Timer(2, do_something, args=('Alice',), kwargs={'gender':'female'})
timer.start()
input('按回車鍵結束\n') # 此處阻塞住進程

這段代碼重新定義瞭do_something函數，在函數開始位置啟動下一次的定時任務。之所以放在開始位置，是為瞭保證兩次定時之間的時間間隔盡可能精確。饒是如此，下面的運行結果顯示，兩次定時之間的時間間隔比設計的2秒鐘多瞭大約10毫秒，且誤差是連續累計的，重復執行100次，誤差將會超過1秒鐘。

按回車鍵結束

1627440628.683803 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627440630.6929214 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627440632.707388 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627440633.6890671 完成特定任務

1627440634.722474 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627440635.7092102 完成特定任務

1627440636.7277966 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

針對連續的定時任務，threading.Timer的表現還算差強人意，隻是這種嵌套的寫法完全顛覆瞭代碼美學。對於像我這樣有代碼潔癖的程序員來說，是無法容忍和不可接受的。在我看來，一個完美的定時器應該滿足以下5個條件，具備下圖所示的結構。

  1. 不阻塞主線程
  2. 同時支持單次定時和連續定時
  3. 以線程或進程方式執行定時任務
  4. 定時任務的線程或進程的創建、運行，不影響定時精度
  5. 足夠精確的定時精度，且誤差不會累計

既然Python沒有提供一個像樣的定時器，那就自己寫一個吧。下面這個定時器，滿足上面提到的5個條件，最短時間間隔可以低至10毫秒，且誤差不會累計。雖然還不夠完美，但無論結構還是精度，都還說得過去。

import time
import threading

class PyTimer:
    """定時器類"""
    
    def __init__(self, func, *args, **kwargs):
        """構造函數"""
        
        self.func = func
        self.args = args
        self.kwargs = kwargs
        self.running = False
    
    def _run_func(self):
        """運行定時事件函數"""
        
        th = threading.Thread(target=self.func, args=self.args, kwargs=self.kwargs)
        th.setDaemon(True)
        th.start()
    
    def _start(self, interval, once):
        """啟動定時器的線程函數"""
        
        if interval < 0.010:
            interval = 0.010
        
        if interval < 0.050:
            dt = interval/10
        else:
            dt = 0.005
        
        if once:
            deadline = time.time() + interval
            while time.time() < deadline:
                time.sleep(dt)
            
            # 定時時間到，調用定時事件函數
            self._run_func()
        else:
            self.running = True
            deadline = time.time() + interval
            while self.running:
                while time.time() < deadline:
                    time.sleep(dt)
                
                # 更新下一次定時時間
                deadline += interval
                
                # 定時時間到，調用定時事件函數
                if self.running:
                    self._run_func()
    
    def start(self, interval, once=False):
        """啟動定時器
        
        interval    - 定時間隔，浮點型，以秒為單位，最高精度10毫秒
        once        - 是否僅啟動一次，默認是連續的
        """
        
        th = threading.Thread(target=self._start, args=(interval, once))
        th.setDaemon(True)
        th.start()
    
    def stop(self):
        """停止定時器"""
        
        self.running = False

定時器類PyTimer實例化時，需要傳入定時任務函數。如果定時任務函數有參數，也可以按照位置參數、關鍵字參數的順序一並提供。PyTimer定時器提供start和stop兩個方法，用於啟動和停止定時器。其中stop方法不需要參數，start則需要一個以秒為單位的定時間隔參數。start還有一個佈爾型的默認參數once，可以設置是否單次定時。once參數的默認值為False，即默認連續定時；如果需要單次定時，隻需要將once置為true即可。

def do_something(name, gender='male'):
    print(time.time(), '定時時間到，執行特定任務' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))
    time.sleep(5)
    print(time.time(), '完成特定任務' )

timer = PyTimer(do_something, 'Alice', gender='female')
timer.start(0.5, once=False)

input('按回車鍵結束\n') # 此處阻塞住進程
timer.stop()

上面是使用PyTimer定時器以0.5秒鐘的間隔連續調用函數do_something的例子。這段代碼的運行結果如下。

按回車鍵結束

1627450313.425347 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450313.9226055 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450314.421761 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450314.9243422 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450315.422722 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450315.9200313 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450316.4204514 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450316.9215539 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450317.4228196 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450317.9245899 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450318.42355 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450318.4393418 完成特定任務

1627450318.9251466 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450318.9395308 完成特定任務

1627450319.4242043 完成特定任務

1627450319.4242043 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450319.9253905 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

1627450319.9411068 完成特定任務

1627450320.425871 完成特定任務

1627450320.425871 定時時間到，執行特定任務

name:Alice, gender:female

雖然每個定時任務需要運行5秒鐘，但每隔0.5秒都會準時啟動一個新的線程運行定時任務。從記錄可以看出，盡管每次定時任務的啟動時間有幾個毫秒的誤差，但誤差不會累計，重復執行的時間間隔均值始終穩定在0.5秒。

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