這是我們手把手教你實現(xiàn) Python 定時器的第三篇文章。前兩篇：分別是手把手教你實現(xiàn)一個 Python 計時器?，和用上下文管理器擴(kuò)展 Python 計時器?，使得我們的 Timer 類方便用、美觀實用。

但我們并不滿足于此，仍然有一個用例可以進(jìn)一步簡化它。假設(shè)我們需要跟蹤代碼庫中一個給定函數(shù)所花費的時間。使用上下文管理器，基本上有兩種不同的選擇：

1. 每次調(diào)用函數(shù)時使用 ?Timer：

with Timer("some_name"):
    do_something()

當(dāng)我們在一個py文件里多次調(diào)用函數(shù) do_something()，那么這將會變得非常繁瑣并且難以維護(hù)。

2. 將代碼包裝在上下文管理器中的函數(shù)中：

def do_something():
    with Timer("some_name"):
        ...

Timer? 只需要在一個地方添加，但這會為do_something()的整個定義增加一個縮進(jìn)級別。

更好的解決方案是使用 Timer 作為裝飾器。裝飾器是用于修改函數(shù)和類行為的強(qiáng)大構(gòu)造。

理解 Python 中的裝飾器

裝飾器是包裝另一個函數(shù)以修改其行為的函數(shù)。你可能會有疑問，這怎么實現(xiàn)呢？其實函數(shù)是 Python 中的first-class 對象，換句話說，函數(shù)可以以變量的形式傳遞給其他函數(shù)的參數(shù)，就像任何其他常規(guī)對象一樣。因此此處有較大的靈活性，也是 Python 幾個最強(qiáng)大功能的基礎(chǔ)。

我們首先創(chuàng)建第一個示例，一個什么都不做的裝飾器：

def turn_off(func):
    return lambda *args, **kwargs: None

首先注意這個turn_off()?只是一個常規(guī)函數(shù)。之所以成為裝飾器，是因為它將一個函數(shù)作為其唯一參數(shù)并返回另一個函數(shù)。我們可以使用turn_off()來修改其他函數(shù)，例如：

>>> print("Hello")
Hello

>>> print = turn_off(print)
>>> print("Hush")
>>> # Nothing is printed

代碼行 print = turn_off(print)? 用 turn_off()? 裝飾器裝飾了 print? 語句。實際上，它將函數(shù) print()? 替換為匿名函數(shù) lambda *args, **kwargs: None? 并返回 turn_off()。匿名函數(shù) lambda 除了返回 None 之外什么都不做。

要定義更多豐富的裝飾器，需要了解內(nèi)部函數(shù)。內(nèi)部函數(shù)是在另一個函數(shù)內(nèi)部定義的函數(shù)，它的一種常見用途是創(chuàng)建函數(shù)工廠：

def create_multiplier(factor):
    def multiplier(num):
        return factor * num
    return multiplier

multiplier()? 是一個內(nèi)部函數(shù)，在 create_multiplier()? 內(nèi)部定義。注意可以訪問 multiplier()? 內(nèi)部的因子，而 multiplier()?未在 create_multiplier() 外部定義：

multiplier

Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'multiplier' is not defined

相反，可以使用create_multiplier()創(chuàng)建新的 multiplier 函數(shù)，每個函數(shù)都基于不同的參數(shù)factor：

double = create_multiplier(factor=2)
double(3)

6

quadruple = create_multiplier(factor=4)
quadruple(7)

28

同樣，可以使用內(nèi)部函數(shù)來創(chuàng)建裝飾器。裝飾器是一個返回函數(shù)的函數(shù)：

def triple(func):
    def wrapper_triple(*args, **kwargs):
        print(f"Tripled {func.__name__!r}")
        value = func(*args, **kwargs)
        return value * 3
    return wrapper_triple

triple() ?是一個裝飾器，因為它是一個期望函數(shù) func()? 作為其唯一參數(shù)并返回另一個函數(shù) wrapper_triple()? 的函數(shù)。注意 triple() 本身的結(jié)構(gòu)：

• 第 1 行開始了triple() 的定義，并期望一個函數(shù)作為參數(shù)。
• 第 2 到 5 行定義了內(nèi)部函數(shù)wrapper_triple()。
• 第 6 行返回wrapper_triple()。

這是種定義裝飾器的一般模式（注意內(nèi)部函數(shù)的部分）：

• 第 2 行開始wrapper_triple()? 的定義。此函數(shù)將替換triple()? 修飾的任何函數(shù)。參數(shù)是*args? 和**kwargs?，用于收集傳遞給函數(shù)的任何位置參數(shù)和關(guān)鍵字參數(shù)。我們可以靈活地在任何函數(shù)上使用triple()。
• 第 3 行打印出修飾函數(shù)的名稱，并指出已對其應(yīng)用了triple()。
• 第 4 行調(diào)用func()?，triple() ?修飾的函數(shù)。它傳遞傳遞給wrapper_triple() 的所有參數(shù)。
• 第 5 行將func() 的返回值增加三倍并將其返回。

接下來的代碼中，knock() 是一個返回單詞 Penny 的函數(shù)，將其傳給triple() 函數(shù)，并看看輸出結(jié)果是什么。

>>> def knock():
...     return "Penny! "
>>> knock = triple(knock)
>>> result = knock()
Tripled 'knock'

>>> result
'Penny! Penny! Penny! '

我們都知道，文本字符串與數(shù)字相乘，是字符串的一種重復(fù)形式，因此字符串 'Penny' 重復(fù)了 3 次?？梢哉J(rèn)為，裝飾發(fā)生在knock = triple(knock)。

上述方法雖然實現(xiàn)了裝飾器的功能，但似乎有點笨拙。PEP 318 引入了一種更方便的語法來應(yīng)用裝飾器。下面的 knock() 定義與上面的定義相同，但裝飾器用法不同。

>>> @triple
... def knock():
...     return "Penny! "
...
>>> result = knock()
Tripled 'knock'

>>> result
'Penny! Penny! Penny! '

@? 符號用于應(yīng)用裝飾器，@triple? 表示 triple() 應(yīng)用于緊隨其后定義的函數(shù)。

Python 標(biāo)準(zhǔn)庫中定義的裝飾器方法之一是：@functools.wraps。這在定義你自己的裝飾器時非常有用。前面說過，裝飾器是用另一個函數(shù)替換了一個函數(shù)，會給你的函數(shù)帶來一個微妙的變化：

knock

<function triple.<locals>.wrapper_triple 
at 0x7fa3bfe5dd90>

@triple? 裝飾了 knock()?，然后被 wrapper_triple()? 內(nèi)部函數(shù)替換，被裝飾的函數(shù)的名字會變成裝飾器函數(shù)，除了名稱，還有文檔字符串和其他元數(shù)據(jù)都將會被替換。但有時，我們并不總是想將被修飾的函數(shù)的所有信息都被修改了。此時 @functools.wraps 正好解決了這個問題，如下所示：

import functools

def triple(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper_triple(*args, **kwargs):
        print(f"Tripled {func.__name__!r}")
        value = func(*args, **kwargs)
        return value * 3
    return wrapper_triple

使用 @triple 的這個新定義保留元數(shù)據(jù)：

@triple
def knock():
    return "Penny! "
knock

<function knock at 0x7fa3bfe5df28>

注意knock()? 即使在被裝飾之后，也同樣保留了它的原有函數(shù)名稱。當(dāng)定義裝飾器時，使用 @functools.wraps 是一種不錯的選擇，可以為大多數(shù)裝飾器使用的如下模板：

import functools

def decorator(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper_decorator(*args, **kwargs):
        # Do something before
        value = func(*args, **kwargs)
        # Do something after
        return value
    return wrapper_decorator

創(chuàng)建 Python 定時器裝飾器

在本節(jié)中，云朵君將和大家一起學(xué)習(xí)如何擴(kuò)展 Python 計時器，并以裝飾器的形式使用它。接下來我們從頭開始創(chuàng)建 Python 計時器裝飾器。

根據(jù)上面的模板，我們只需要決定在調(diào)用裝飾函數(shù)之前和之后要做什么。這與進(jìn)入和退出上下文管理器時的注意事項類似。在調(diào)用修飾函數(shù)之前啟動 Python 計時器，并在調(diào)用完成后停止 Python 計時器。可以按如下方式定義 @timer 裝飾器：

import functools
import time

def timer(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper_timer(*args, **kwargs):
        tic = time.perf_counter()
        value = func(*args, **kwargs)
        toc = time.perf_counter()
        elapsed_time = toc - tic
        print(f"Elapsed time: {elapsed_time:0.4f} seconds")
        return value
    return wrapper_timer

可以按如下方式應(yīng)用 @timer：

@timer
def download_data():
    source_url = 'https://cloud.tsinghua.edu.cn/d/e1ccfff39ad541908bae/files/?p=%2Fall_six_datasets.zip&dl=1'
    headers = {'User-Agent': 'Mozilla/5.0'}
    res = requests.get(source_url, headers=headers) 

download_data()
# Python Timer Functions: Three Ways to Monitor Your Code

[ ... ]
Elapsed time: 0.5414 seconds

回想一下，還可以將裝飾器應(yīng)用于先前定義的下載數(shù)據(jù)的函數(shù)：

requests.get = requests.get(source_url, headers=headers)

使用裝飾器的一個優(yōu)點是只需要應(yīng)用一次，并且每次都會對函數(shù)計時：

data = requests.get(0)

Elapsed time: 0.5512 seconds

雖然@timer? 順利完成了對目標(biāo)函數(shù)的定時。但從某種意義上說，你又回到了原點，因為該裝飾器 @timer? 失去了前面定義的類 ?Timer? 的靈活性或便利性。換句話說，我們需要將 ?Timer? 類表現(xiàn)得像一個裝飾器。

現(xiàn)在我們似乎已經(jīng)將裝飾器用作應(yīng)用于其他函數(shù)的函數(shù)，但其實不然，因為裝飾器必須是可調(diào)用的。Python中有許多可調(diào)用的類型，可以通過在其類中定義特殊的.__call__()方法來使自己的對象可調(diào)用。以下函數(shù)和類的行為類似：

def square(num):
    return num ** 2

square(4)

16

class Squarer:
    def __call__(self, num):
        return num ** 2

square = Squarer()
square(4)

16

這里，square ?是一個可調(diào)用的實例，可以對數(shù)字求平方，就像square()第一個示例中的函數(shù)一樣。

我們現(xiàn)在向現(xiàn)有Timer類添加裝飾器功能，首先需要 import functools。

# timer.py
import functools
# ...
@dataclass
class Timer:
    # The rest of the code is unchanged
    def __call__(self, func):
        """Support using Timer as a decorator"""
        @functools.wraps(func)
        def wrapper_timer(*args, **kwargs):
            with self:
                return func(*args, **kwargs)
        return wrapper_timer

在之前定義的上下文管理器 Timer ，給我們帶來了不少便利。而這里使用的裝飾器，似乎更加方便。

@Timer(text="Downloaded the tutorial in {:.2f} seconds")
def download_data():
    source_url = 'https://cloud.tsinghua.edu.cn/d/e1ccfff39ad541908bae/files/?p=%2Fall_six_datasets.zip&dl=1'
    headers = {'User-Agent': 'Mozilla/5.0'}
    res = requests.get(source_url, headers=headers) 

download_data()
# Python Timer Functions: Three Ways to Monitor Your Code

[ ... ]
Downloaded the tutorial in 0.72 seconds

有一種更直接的方法可以將 Python 計時器變成裝飾器。其實上下文管理器和裝飾器之間的一些相似之處：它們通常都用于在執(zhí)行某些給定代碼之前和之后執(zhí)行某些操作。

基于這些相似之處，在 python 標(biāo)準(zhǔn)庫中定義了一個名為 ContextDecorator? 的 mixin? 類，它可以簡單地通過繼承 ContextDecorator 來為上下文管理器類添加裝飾器函數(shù)。

from contextlib import ContextDecorator
# ...
@dataclass
class Timer(ContextDecorator):
    # Implementation of Timer is unchanged

當(dāng)以這種方式使用 ContextDecorator? 時，無需自己實現(xiàn) .__call__()，因此我們可以大膽地將其從 Timer 類中刪除。

使用 Python 定時器裝飾器

接下來，再最后一次重改 download_data.py 示例，使用 Python 計時器作為裝飾器：

# download_data.py
import requests
from timer import Timer
@Timer()
def main():
    source_url = 'https://cloud.tsinghua.edu.cn/d/e1ccfff39ad541908bae/files/?p=%2Fall_six_datasets.zip&dl=1'
    headers = {'User-Agent': 'Mozilla/5.0'}
    res = requests.get(source_url, headers=headers) 
    with open('dataset/datasets.zip', 'wb') as f:
        f.write(res.content)
if __name__ == "__main__":
    main()

我們與之前的寫法進(jìn)行比較，唯一的區(qū)別是第 3 行的 Timer 的導(dǎo)入和第 4 行的 @Timer()  的應(yīng)用。使用裝飾器的一個顯著優(yōu)勢是它們通常很容易調(diào)用。

但是，裝飾器仍然適用于整個函數(shù)。這意味著代碼除了記錄了下載數(shù)據(jù)所需的時間外，還考慮了保存數(shù)據(jù)所需的時間。運行腳本：

$ python download_data.py
# Python Timer Functions: Three Ways to Monitor Your Code

[ ... ]
Elapsed time: 0.69 seconds

從上面打印出來的結(jié)果可以看到，代碼記錄了下載數(shù)據(jù)和保持?jǐn)?shù)據(jù)一共所需的時間。

當(dāng)使用 Timer 作為裝飾器時，會看到與使用上下文管理器類似的優(yōu)勢：

• 省時省力：只需要一行額外的代碼即可為函數(shù)的執(zhí)行計時。
• 可讀性：當(dāng)添加裝飾器時，可以更清楚地注意到代碼會對函數(shù)計時。
• 一致性：只需要在定義函數(shù)時添加裝飾器即可。每次調(diào)用時，代碼都會始終如一地計時。

然而，裝飾器不如上下文管理器靈活，只能將它們應(yīng)用于完整函數(shù)。

Python 計時器代碼

這里展開下面的代碼塊以查看 Python 計時器timer.py的完整源代碼。

上下滑動查看更多源碼

# timer.py
import time
from contextlib import ContextDecorator
from dataclasses import dataclass, field
from typing import Any, Callable, ClassVar, Dict, Optional

class TimerError(Exception):
    """A custom exception used to report errors in use of Timer class"""

@dataclass
class Timer(ContextDecorator):
    """Time your code using a class, context manager, or decorator"""

    timers: ClassVar[Dict[str, float]] = {}
    name: Optional[str] = None
    text: str = "Elapsed time: {:0.4f} seconds"
    logger: Optional[Callable[[str], None]] = print
    _start_time: Optional[float] = field(default=None, init=False, repr=False)

    def __post_init__(self) -> None:
        """Initialization: add timer to dict of timers"""
        if self.name:
            self.timers.setdefault(self.name, 0)

    def start(self) -> None:
        """Start a new timer"""
        if self._start_time is not None:
            raise TimerError(f"Timer is running. Use .stop() to stop it")

        self._start_time = time.perf_counter()

    def stop(self) -> float:
        """Stop the timer, and report the elapsed time"""
        if self._start_time is None:
            raise TimerError(f"Timer is not running. Use .start() to start it")

        # Calculate elapsed time
        elapsed_time = time.perf_counter() - self._start_time
        self._start_time = None

        # Report elapsed time
        if self.logger:
            self.logger(self.text.format(elapsed_time))
        if self.name:
            self.timers[self.name] += elapsed_time

        return elapsed_time

    def __enter__(self) -> "Timer":
        """Start a new timer as a context manager"""
        self.start()
        return self

    def __exit__(self, *exc_info: Any) -> None:
        """Stop the context manager timer"""
        self.stop()

可以自己使用代碼，方法是將其保存到一個名為的文件中timer.py并將其導(dǎo)入：

from timer import Timer

PyPI 上也提供了 Timer，因此更簡單的選擇是使用 pip 安裝它：

pip install codetiming

注意，PyPI 上的包名稱是codetiming?，安裝包和導(dǎo)入時都需要使用此名稱Timer：

from codetiming import Timer

除了名稱和一些附加功能之外，codetiming.Timer? 與 timer.Timer? 完全一樣。總而言之，可以通過三種不同的方式使用 Timer：

1. 作為一個類：

t = Timer(name="class")
t.start()
# Do something
t.stop()

2. 作為上下文管理器：

with Timer(name="context manager"):
    # Do something

3. 作為裝飾器：

@Timer(name="decorator")
def stuff():
    # Do something

這種 Python 計時器主要用于監(jiān)控代碼在單個關(guān)鍵代碼塊或函數(shù)上所花費的時間。

Python定時器裝飾器已經(jīng)學(xué)習(xí)完畢了，接下來是總結(jié)了一些其他的 Python 定時器函數(shù)，如果你對其不太感興趣，可以直接跳到最后。

其他 Python 定時器函數(shù)

使用 Python 對代碼進(jìn)行計時有很多選擇。這里我們學(xué)習(xí)了如何創(chuàng)建一個靈活方便的類，可以通過多種不同的方式使用該類。對 PyPI 的快速搜索發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有許多項目提供 Python 計時器解決方案。

在本節(jié)中，我們首先了解有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)庫中用于測量時間的不同函數(shù)的更多信息，包括為什么 perf_counter() 更好，然后探索優(yōu)化代碼的替代方案。

使用替代 Python 計時器函數(shù)

在本文之前，包括前面介紹python定時器的文章中，我們一直在使用 perf_counter() 來進(jìn)行實際的時間測量，但是 Python 的時間庫附帶了幾個其他也可以測量時間的函數(shù)。這里有一些:

• time()
• perf_counter_ns()
• monotonic()
• process_time()

擁有多個函數(shù)的一個原因是 Python 將時間表示為浮點數(shù)。浮點數(shù)本質(zhì)上是不準(zhǔn)確的。之前可能已經(jīng)看到過這樣的結(jié)果：

>>> 0.1 + 0.1 + 0.1
0.30000000000000004

>>> 0.1 + 0.1 + 0.1 == 0.3
False

Python 的 Float 遵循 IEEE 754 浮點算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，該標(biāo)準(zhǔn)以 64 位表示所有浮點數(shù)。因為浮點數(shù)有無限多位數(shù)，即不能用有限的位數(shù)來表達(dá)它們。

考慮time()?這個函數(shù)的主要目的，是它表示的是現(xiàn)在的實際時間。它以自給定時間點（稱為紀(jì)元）以來的秒數(shù)來表示函數(shù)。time()?返回的數(shù)字很大，這意味著可用的數(shù)字較少，因而分辨率會受到影響。簡而言之， time()無法測量納秒級差異：

>>> import time
>>> t = time.time()
>>> t
1564342757.0654016

>>> t + 1e-9
1564342757.0654016

>>> t == t + 1e-9
True

一納秒是十億分之一秒。上面代碼中，將納秒添加到參數(shù) t ，他并不會影響結(jié)果。與 time() 不同的是，perf_counter() 使用一些未定義的時間點作為它的紀(jì)元，它可以使用更小的數(shù)字，從而獲得更好的分辨率：

>>> import time
>>> p = time.perf_counter()
>>> p
11370.015653846

>>> p + 1e-9
11370.015653847

>>> p == p + 1e-9
False

眾所周知，將時間表示為浮點數(shù)是非常具有挑戰(zhàn)的一件事，因此 Python 3.7 引入了一個新選項：每個時間測量函數(shù)現(xiàn)在都有一個相應(yīng)的 ?_ns? 函數(shù)，它以 ?int? 形式返回納秒數(shù)，而不是以浮點數(shù)形式返回秒數(shù)。例如，time()? 現(xiàn)在有一個名為 time_ns() 的納秒對應(yīng)項：

import time
time.time_ns()

1564342792866601283

整數(shù)在 Python 中是無界的，因此 time_ns()? 可以為所有永恒提供納秒級分辨率。同樣，perf_counter_ns() ?是 perf_counter() 的納秒版本：

>>> import time
>>> time.perf_counter()
13580.153084446

>>> time.perf_counter_ns()
13580765666638

我們注意到，因為 perf_counter() ?已經(jīng)提供納秒級分辨率，所以使用 perf_counter_ns() 的優(yōu)勢較少。

注意： perf_counter_ns() ?僅在 Python 3.7 及更高版本中可用。在 Timer 類中使用了 perf_counter()。這樣，也可以在較舊的 Python 版本上使用 Timer。

有兩個函數(shù)time?不測量time.sleep時間：process_time()?和thread_time()。?通常希望Timer?能夠測量代碼所花費的全部時間，因此這兩個函數(shù)并不常用。而函數(shù) ?monotonic()，顧名思義，它是一個單調(diào)計時器，一個永遠(yuǎn)不會向后移動的 Python 計時器。

除了 time()? 之外，所有這些函數(shù)都是單調(diào)的，如果調(diào)整了系統(tǒng)時間，它也隨之倒退。在某些系統(tǒng)上，monotonic()? 與 perf_counter()? 的功能相同，可以互換使用。我們可以使用 time.get_clock_info() 獲取有關(guān) Python 計時器函數(shù)的更多信息：

>>> import time
>>> time.get_clock_info("monotonic")
namespace(adjustable=False, implementation='clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)',
          monotonic=True, resolution=1e-09)

>>> time.get_clock_info("perf_counter")
namespace(adjustable=False, implementation='clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)',
          monotonic=True, resolution=1e-09)

注意，不同系統(tǒng)上的結(jié)果可能會有所不同。

PEP 418 描述了引入這些功能的一些基本原理。它包括以下簡短描述：

• time.monotonic():  超時和調(diào)度，不受系統(tǒng)時鐘更新影響
• time.perf_counter()：基準(zhǔn)測試，短期內(nèi)最精確的時鐘
• time.process_time()：分析進(jìn)程的CPU時間

估計運行時間timeit

在實際工作中，通常會想優(yōu)化代碼進(jìn)一步提升代碼性能，例如想知道將列表轉(zhuǎn)換為集合的最有效方法。下面我們使用函數(shù) set()? 和直接花括號定義集合 {...} 進(jìn)行比較，看看這兩種方法哪個性能更優(yōu)，此時需要使用 Python 計時器來比較兩者的運行速度。

>>> from timer import Timer
>>> numbers = [7, 6, 1, 4, 1, 8, 0, 6]
>>> with Timer(text="{:.8f}"):
...     set(numbers)
...
{0, 1, 4, 6, 7, 8}
0.00007373

>>> with Timer(text="{:.8f}"):
...     {*numbers}
...
{0, 1, 4, 6, 7, 8}
0.00006204

該測試結(jié)果表明直接花括號定義集合可能會稍微快一些，但其實這些結(jié)果非常不確定。如果重新運行代碼，可能會得到截然不同的結(jié)果。因為這會受計算機(jī)的性能和計算機(jī)運行狀態(tài)所影響：例如當(dāng)計算機(jī)忙于其他任務(wù)時，就會影響我們程序的結(jié)果。

更好的方法是多次重復(fù)運行相同過程，并獲取平均耗時，就能夠更加精確地測量目標(biāo)程序的性能大小。因此可以使用 timeit 標(biāo)準(zhǔn)庫，它旨在精確測量小代碼片段的執(zhí)行時間。雖然可以從 Python 導(dǎo)入和調(diào)用 timeit.timeit() 作為常規(guī)函數(shù)，但使用命令行界面通常更方便?？梢园慈缦路绞綄@兩種變體進(jìn)行計時：

$ python -m timeit --setup "nums = [7, 6, 1, 4, 1, 8, 0, 6]" "set(nums)"
2000000 loops, best of 5: 163 nsec per loop

$ python -m timeit --setup "nums = [7, 6, 1, 4, 1, 8, 0, 6]" "{*nums}"
2000000 loops, best of 5: 121 nsec per loop

timeit? 自動多次調(diào)用代碼以平均噪聲測量。timeit? 的結(jié)果證實 {*nums}? 量比 set(nums) 快。

注意：在下載文件或訪問數(shù)據(jù)庫的代碼上使用 timeit? 時要小心。由于 timeit 會自動多次調(diào)用程序，因此可能會無意中向服務(wù)器發(fā)送請求！

最后，IPython 交互式 shell? 和 Jupyter Notebook? 使用 %timeit 魔術(shù)命令對此功能提供了額外支持：

In [1]: numbers = [7, 6, 1, 4, 1, 8, 0, 6]

In [2]: %timeit set(numbers)
171 ns ± 0.748 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000000 loops each)

In [3]: %timeit {*numbers}
147 ns ± 2.62 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 10000000 loops each)

同樣，測量結(jié)果表明直接花括號定義集合更快。在 Jupyter Notebooks? 中，還可以使用 %%timeit cell-magic 來測量運行整個單元格的時間。

使用 Profiler 查找代碼中的Bottlenecks

timeit 非常適合對特定代碼片段進(jìn)行基準(zhǔn)測試。但使用它來檢查程序的所有部分并找出哪些部分花費的時間最多會非常麻煩。此時我們想到可以使用分析器。

cProfile 是一個分析器，可以隨時從標(biāo)準(zhǔn)庫中訪問它?？梢酝ㄟ^多種方式使用它，盡管將其用作命令行工具通常是最直接的：

$ python -m cProfile -o download_data.prof download_data.py

此命令在打開分析器的情況下運行 download_data.py。將 cProfile 的輸出保存在 download_data.prof 中，由 -o 選項指定。輸出數(shù)據(jù)是二進(jìn)制格式，需要專門的程序才能理解。同樣，Python 在標(biāo)準(zhǔn)庫中有一個選項 pstats！它可以在 .prof? 文件上運行 pstats 模塊會打開一個交互式配置文件統(tǒng)計瀏覽器。

$ python -m pstats download_data.prof
Welcome to the profile statistics browser.
download_data.prof% help

...

要使用 pstats，請在提示符下鍵入命令。通常你會使用 sort? 和 stats? 命令，strip 可以獲得更清晰的輸出：

download_data.prof% strip
download_data.prof% sort cumtime
download_data.prof% stats 10
...

此輸出顯示總運行時間為 0.586 秒。它還列出了代碼花費最多時間的十個函數(shù)。這里按累積時間 ( cumtime) 排序，這意味著當(dāng)給定函數(shù)調(diào)用另一個函數(shù)時，代碼會計算時間。

總時間 ( tottime?) 列表示代碼在函數(shù)中花費了多少時間，不包括在子函數(shù)中的時間。要查找代碼花費最多時間的位置，需要發(fā)出另一個sort命令：

download_data.prof% sort tottime
download_data.prof% stats 10
...

可以使用 pstats?了解代碼大部分時間花在哪里，然后嘗試優(yōu)化我們發(fā)現(xiàn)的任何瓶頸。還可以使用該工具更好地理解代碼的結(jié)構(gòu)。例如，被調(diào)用者和調(diào)用者命令將顯示給定函數(shù)調(diào)用和調(diào)用的函數(shù)。

還可以研究某些函數(shù)。通過使用短語 timer? 過濾結(jié)果來檢查 Timer 導(dǎo)致的開銷：

download_data.prof% stats timer
...

完成調(diào)查后，使用 quit? 離開 pstats 瀏覽器。

如需更加深入了解更強(qiáng)大的配置文件數(shù)據(jù)接口，可以查看 KCacheGrind[8]。它使用自己的數(shù)據(jù)格式，也可以使用 pyprof2calltree[9] 從 cProfile 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：

$ pyprof2calltree -k -i download_data.prof

該命令將轉(zhuǎn)換 download_data.prof? 并打開 KCacheGrind 來分析數(shù)據(jù)。

這里為代碼計時的最后一個選項是 line_profiler[10]。cProfile? 可以告訴我們代碼在哪些函數(shù)中花費的時間最多，但它不會深入顯示該函數(shù)中的哪些行最慢，此時就需要 line_profiler 。

注意：還可以分析代碼的內(nèi)存消耗。這超出了本教程的范圍，如果你需要監(jiān)控程序的內(nèi)存消耗，可以查看 memory-profiler[11] 。

行分析需要時間，并且會為我們的運行時增加相當(dāng)多的開銷。正常的工作流程是首先使用 cProfile? 來確定要調(diào)查的函數(shù)，然后在這些函數(shù)上運行 line_profiler?。line_profiler 不是標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，因此應(yīng)該首先按照安裝說明[12]進(jìn)行設(shè)置。

在運行分析器之前，需要告訴它要分析哪些函數(shù)。可以通過在源代碼中添加 @profile? 裝飾器來實現(xiàn)。例如，要分析 Timer.stop()?，在 timer.py 中添加以下內(nèi)容：

@profile
def stop(self) -> float:
    # 其余部分不變

注意，不需要導(dǎo)入profile配置文件，它會在運行分析器時自動添加到全局命名空間中。不過，我們需要在完成分析后刪除該行。否則，會拋出一個 NameError 異常。

接下來，使用 kernprof 運行分析器，它是 line_profiler 包的一部分：

$ kernprof -l download_data.py

此命令自動將探查器數(shù)據(jù)保存在名為 download_data.py.lprof? 的文件中?？梢允褂?nbsp;line_profiler 查看這些結(jié)果：

$ python -m line_profiler download_data.py.lprof
Timer unit: 1e-06 s

Total time: 1.6e-05 s
File: /home/realpython/timer.py
Function: stop at line 35

# Hits Time PrHit %Time Line Contents
=====================================
...

首先，注意本報告中的時間單位是微秒（1e-06 s?）。通常，最容易查看的數(shù)字是 %Time，它告訴我們代碼在每一行的函數(shù)中花費的總時間的百分比。

總結(jié)

在本文中，我們嘗試了幾種不同的方法來將 Python 計時器添加到代碼中：

• 使用了一個類來保持狀態(tài)并添加一個用戶友好的界面。類非常靈活，直接使用 Timer 可以讓您完全控制如何以及何時調(diào)用計時器。
• 使用上下文管理器向代碼塊添加功能，并在必要時進(jìn)行清理。上下文管理器使用起來很簡單，使用with Timer() 添加可以幫助您在視覺上更清楚地區(qū)分您的代碼。
• 使用裝飾器向函數(shù)添加行為。裝飾器簡潔而引人注目，使用@Timer() 是監(jiān)控代碼運行時的快速方法。

我們還了解了為什么在對代碼進(jìn)行基準(zhǔn)測試時應(yīng)該更喜歡time.perf_counter()?而不是 time.time()，以及在優(yōu)化代碼時還有哪些其他有用的替代方法。

現(xiàn)在我們可以在自己的代碼中添加Python計時器函數(shù)了！在日志中跟蹤程序的運行速度將有助于監(jiān)視腳本。