基于Python实现简单的定时器详解

所谓定时器，是指间隔特定时间执行特定任务的机制。几乎所有的编程语言，都有定时器的实现。比如，Java有util.Timer和util.TimerTask，JavaScript有setInterval和setTimeout，可以实现非常复杂的定时任务处理。然而，牛叉到无所不能的Python，却没有一个像样的定时器，实在令人难以理解。

刚入门的同学一定会说：不是有个time.sleep吗？定好闹钟睡大觉，闹钟一响，起来干活，这不就是一个定时器吗？没错，time.sleep具备定时器的基本要素，但若作为定时器使用，则有两个致命的缺陷：一是阻塞主线程，睡觉的时候不能做任何事情；二是醒来以后需要主线程执行定时任务——即便使用线程技术，也得先由主线程来创建子线程。

说到这里，熟悉线程模块threading的同学也许会说：threading.Timer就是以线程方式运行的呀，既不会阻塞主线程，执行定时任务也无需主线程干预，这不就是一个完美的定时器吗？

我们先来看看threading.Timer是如何工作的。下面这段代码演示了threading.Timer的基本用法：启动定时器2秒钟后以线程方式调用函数do_something，在定时器等待的2秒钟内，以及do_something运行期间，主线程仍然可以做其他工作——此处是从键盘读取输入，借以阻塞主线程，以便观察定时器的工作情况。

import time
import threading

def do_something(name, gender='male'):
    print(time.time(), '定时时间到，执行特定任务' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))

timer = threading.Timer(2, do_something, args=('Alice',), kwargs={'gender':'female'})
timer.start()
print(time.time(), '定时开始时间')
input('按回车键结束\n') # 此处阻塞住进程

正如我们所期待的那样，定时器启动2秒钟后，函数do_something被调用，这期间可以随时敲击回车键结束程序。这段代码的运行结果如下。

1627438957.4297626 定时开始时间

按回车键结束

1627438959.4299397 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

从使用效果看，threading.Timer称得上是一款简洁易用的定时器。不过，threading.Timer存在明显的短板，那就是不支持连续的定时任务，比如，每隔2秒钟调用一次do_something函数。如果一定要用threading.Timer实现连续定时，只能用类似嵌套的变通方法，在do_something函数中再次启动定时器。

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(), '定时时间到，执行特定任务' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))
    time.sleep(5)
    print(time.time(), '完成特定任务' )

timer = threading.Timer(2, do_something, args=('Alice',), kwargs={'gender':'female'})
timer.start()
input('按回车键结束\n') # 此处阻塞住进程

这段代码重新定义了do_something函数，在函数开始位置启动下一次的定时任务。之所以放在开始位置，是为了保证两次定时之间的时间间隔尽可能精确。饶是如此，下面的运行结果显示，两次定时之间的时间间隔比设计的2秒钟多了大约10毫秒，且误差是连续累计的，重复执行100次，误差将会超过1秒钟。

按回车键结束

1627440628.683803 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627440630.6929214 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627440632.707388 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627440633.6890671 完成特定任务

1627440634.722474 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627440635.7092102 完成特定任务

1627440636.7277966 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

针对连续的定时任务，threading.Timer的表现还算差强人意，只是这种嵌套的写法完全颠覆了代码美学。对于像我这样有代码洁癖的程序员来说，是无法容忍和不可接受的。在我看来，一个完美的定时器应该满足以下5个条件，具备下图所示的结构。

1. 不阻塞主线程
2. 同时支持单次定时和连续定时
3. 以线程或进程方式执行定时任务
4. 定时任务的线程或进程的创建、运行，不影响定时精度
5. 足够精确的定时精度，且误差不会累计

既然Python没有提供一个像样的定时器，那就自己写一个吧。下面这个定时器，满足上面提到的5个条件，最短时间间隔可以低至10毫秒，且误差不会累计。虽然还不够完美，但无论结构还是精度，都还说得过去。

import time
import threading

class PyTimer:
    """定时器类"""

    def __init__(self, func, *args, **kwargs):
        """构造函数"""

        self.func = func
        self.args = args
        self.kwargs = kwargs
        self.running = False

    def _run_func(self):
        """运行定时事件函数"""

        th = threading.Thread(target=self.func, args=self.args, kwargs=self.kwargs)
        th.setDaemon(True)
        th.start()

    def _start(self, interval, once):
        """启动定时器的线程函数"""

        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)

            # 定时时间到，调用定时事件函数
            self._run_func()
        else:
            self.running = True
            deadline = time.time() + interval
            while self.running:
                while time.time() < deadline:
                    time.sleep(dt)

                # 更新下一次定时时间
                deadline += interval

                # 定时时间到，调用定时事件函数
                if self.running:
                    self._run_func()

    def start(self, interval, once=False):
        """启动定时器

        interval    - 定时间隔，浮点型，以秒为单位，最高精度10毫秒
        once        - 是否仅启动一次，默认是连续的
        """

        th = threading.Thread(target=self._start, args=(interval, once))
        th.setDaemon(True)
        th.start()

    def stop(self):
        """停止定时器"""

        self.running = False

定时器类PyTimer实例化时，需要传入定时任务函数。如果定时任务函数有参数，也可以按照位置参数、关键字参数的顺序一并提供。PyTimer定时器提供start和stop两个方法，用于启动和停止定时器。其中stop方法不需要参数，start则需要一个以秒为单位的定时间隔参数。start还有一个布尔型的默认参数once，可以设置是否单次定时。once参数的默认值为False，即默认连续定时；如果需要单次定时，只需要将once置为true即可。

def do_something(name, gender='male'):
    print(time.time(), '定时时间到，执行特定任务' )
    print('name:%s, gender:%s'%(name, gender))
    time.sleep(5)
    print(time.time(), '完成特定任务' )

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

input('按回车键结束\n') # 此处阻塞住进程
timer.stop()

上面是使用PyTimer定时器以0.5秒钟的间隔连续调用函数do_something的例子。这段代码的运行结果如下。

按回车键结束

1627450313.425347 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450313.9226055 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450314.421761 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450314.9243422 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450315.422722 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450315.9200313 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450316.4204514 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450316.9215539 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450317.4228196 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450317.9245899 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450318.42355 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450318.4393418 完成特定任务

1627450318.9251466 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450318.9395308 完成特定任务

1627450319.4242043 完成特定任务

1627450319.4242043 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450319.9253905 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

1627450319.9411068 完成特定任务

1627450320.425871 完成特定任务

1627450320.425871 定时时间到，执行特定任务

name:Alice, gender:female

虽然每个定时任务需要运行5秒钟，但每隔0.5秒都会准时启动一个新的线程运行定时任务。从记录可以看出，尽管每次定时任务的启动时间有几个毫秒的误差，但误差不会累计，重复执行的时间间隔均值始终稳定在0.5秒。

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