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如何用上下文管理器擴展Python計時器

首先，實例化類
其次，在要計時的代碼塊之前調用.start()
最后，在代碼塊之后調用.stop()

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一個 Python 定時器上下文管理器

Python 有一個獨特的構造，用于在代碼塊之前和之后調用函數：上下文管理器。

了解 Python 中的上下文管理器

上下文管理器長期以來一直是 Python 中重要的一部分。由 PEP 343 于 2005 年引入，并首次在 Python 2.5 中實現。可以使用 with 關鍵字識別代碼中的上下文管理器：

with EXPRESSION as VARIABLE:
    BLOCK

EXPRESSION 是一些返回上下文管理器的 Python 表達式。首先上下文管理器綁定到變量名 VARIABLE上，BLOCK 可以是任何常規(guī)的 Python 代碼塊。上下文管理器保證程序在 BLOCK 之前調用一些代碼，在 BLOCK 執(zhí)行之后調用一些其他代碼。這樣即使 BLOCK 引發(fā)異常，后者也是會照樣執(zhí)行。

上下文管理器最常見的用途是處理不同的資源，如文件、鎖和數據庫連接等。上下文管理器用于使用資源后釋放和清理資源。以下示例僅通過打印包含冒號的行來演示 timer.py 的基本結構。此外，它展示了在 Python 中打開文件的常用習語：

with open("timer.py") as fp:
    print("".join(ln for ln in fp if ":" in ln))

class TimerError(Exception):
class Timer:
    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:
        if self.name is not None:
    def start(self) -> None:
        if self._start_time is not None:
    def stop(self) -> float:
        if self._start_time is None:
        if self.logger:
        if self.name:

注意，使用 open() 作為上下文管理器，文件指針fp 不會顯式關閉，可以確認 fp 已自動關閉：

fp.closed

True

在此示例中，open("timer.py") 是一個返回上下文管理器的表達式。該上下文管理器綁定到名稱 fp。上下文管理器在 print() 執(zhí)行期間有效。這個單行代碼塊在 fp 的上下文中執(zhí)行。

fp 是上下文管理器是什么意思？從技術上講，就是 fp 實現了上下文管理器協議。Python 語言底層有許多不同的協議?？梢詫f議視為說明我們代碼必須實現哪些特定方法的合同。

上下文管理器協議由兩種方法組成：

進入與上下文管理器相關的上下文時調用.__enter__()。
退出與上下文管理器相關的上下文時調用.__exit__()。

換句話說，要自己創(chuàng)建上下文管理器，需要編寫一個實現 .__enter__() 和 .__exit__() 的類。試試 Hello, World!上下文管理器示例：

# studio.py
class Studio:
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def __enter__(self):
        print(f"你好 {self.name}")
        return self

    def __exit__(self, exc_type, exc_value, exc_tb):
        print(f"一會兒見, {self.name}")

Studio是一個上下文管理器，它實現了上下文管理器協議，使用如下：

from studio import Studio
with Studio("云朵君"):
    print("正在忙 ...")

你好 云朵君
正在忙 ...
一會兒見, 云朵君

首先，注意 .__enter__() 在做事之前是如何被調用的，而 .__exit__() 是在做事之后被調用的。該示例中，沒有引用上下文管理器，因此不需要使用 as 為上下文管理器命名。

接下來，注意 self.__enter__() 的返回值受 as 約束。創(chuàng)建上下文管理器時，通常希望從 .__enter__() 返回 self 。可以按如下方式使用該返回值：

from greeter import Greeter
with Greeter("云朵君") as grt:
  print(f"{grt.name} 正在忙 ...")

你好 云朵君
云朵君 正在忙 ...
一會兒見, 云朵君

在寫 __exit__ 函數時，需要注意的事，它必須要有這三個參數：

exc_type：異常類型
exc_val：異常值
exc_tb：異常的錯誤棧信息

這三個參數用于上下文管理器中的錯誤處理，它們以 sys.exc_info() 的返回值返回。當主邏輯代碼沒有報異常時，這三個參數將都為None。

如果在執(zhí)行塊時發(fā)生異常，那么代碼將使用異常類型、異常實例和回溯對象（即exc_type、exc_value和exc_tb）調用 .__exit__() 。通常情況下，這些在上下文管理器中會被忽略，而在引發(fā)異常之前調用 .__exit__()：

from greeter import Greeter
with Greeter("云朵君") as grt:
    print(f"{grt.age} does not exist")

你好 云朵君
一會兒見, 云朵君
Traceback (most recent call last):
  File "", line 2, in 
AttributeError: 'Greeter' object has no attribute 'age'

可以看到，即使代碼中有錯誤，還是照樣打印了 "一會兒見, 云朵君"。

理解并使用 contextlib

現在我們初步了解了上下文管理器是什么以及如何創(chuàng)建自己的上下文管理器。在上面的例子中，我們只是為了構建一個上下文管理器，卻寫了一個類。如果只是要實現一個簡單的功能，寫一個類未免有點過于繁雜。這時候，我們就想，如果只寫一個函數就可以實現上下文管理器就好了。

這個點Python早就想到了。它給我們提供了一個裝飾器，你只要按照它的代碼協議來實現函數內容，就可以將這個函數對象變成一個上下文管理器。

我們按照 contextlib 的協議來自己實現一個上下文管理器，為了更加直觀我們換個用例，創(chuàng)建一個我們常用且熟悉的打開文件（with open）的上下文管理器。

import contextlib

@contextlib.contextmanager
def open_func(file_name):
    # __enter__方法
    print('open file:', file_name, 'in __enter__')
    file_handler = open(file_name, 'r')
 
    # 【重點】：yield
    yield file_handler

    # __exit__方法
    print('close file:', file_name, 'in __exit__')
    file_handler.close()
    return

with open_func('test.txt') as file_in:
    for line in file_in:
        print(line)

在被裝飾函數里，必須是一個生成器（帶有yield），而 yield 之前的代碼，就相當于__enter__里的內容。yield 之后的代碼，就相當于__exit__ 里的內容。

上面這段代碼只能實現上下文管理器的第一個目的（管理資源），并不能實現第二個目的（處理異常）。

如果要處理異常，可以改成下面這個樣子。

import contextlib

@contextlib.contextmanager
def open_func(file_name):
    # __enter__方法
    print('open file:', file_name, 'in __enter__')
    file_handler = open(file_name, 'r')

    try:
        yield file_handler
    except Exception as exc:
        # deal with exception
        print('the exception was thrown')
    finally:
        print('close file:', file_name, 'in __exit__')
        file_handler.close()
        return

with open_func('test.txt') as file_in:
    for line in file_in:
        1/0
        print(line)

Python 標準庫中的 contextlib包括定義新上下文管理器的便捷方法，以及可用于關閉對象、抑制錯誤甚至什么都不做的現成上下文管理器！

創(chuàng)建 Python 計時器上下文管理器

了解了上下文管理器的一般工作方式后，要想知道它們是如何幫助處理時序代碼呢？假設如果可以在代碼塊之前和之后運行某些函數，那么就可以簡化 Python 計時器的工作方式。其實，上下文管理器可以自動為計時時顯式調用 .start() 和.stop()。

同樣，要讓 Timer 作為上下文管理器工作，它需要遵守上下文管理器協議，換句話說，它必須實現 .__enter__() 和 .__exit__() 方法來啟動和停止 Python 計時器。從目前的代碼中可以看出，所有必要的功能其實都已經可用，因此只需將以下方法添加到之前編寫的的 Timer 類中即可：

# timer.py
@dataclass
class Timer:
    # 其他代碼保持不變

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

    def __exit__(self, *exc_info):
        """Stop the context manager timer"""
        self.stop()

Timer 現在就是一個上下文管理器。實現的重要部分是在進入上下文時， .__enter__() 調用 .start() 啟動 Python 計時器，而在代碼離開上下文時， .__exit__() 使用 .stop() 停止 Python 計時器。

from timer import Timer
import time
with Timer():
    time.sleep(0.7)

Elapsed time: 0.7012 seconds

此處注意兩個更微妙的細節(jié)：

.__enter__()? 返回self?，Timer 實例，它允許用戶使用as? 將Timer ?實例綁定到變量。例如，使用with Timer() as t:? 將創(chuàng)建指向Timer ?對象的變量t。
.__exit__()? 需要三個參數，其中包含有關上下文執(zhí)行期間發(fā)生的任何異常的信息。代碼中，這些參數被打包到一個名為exc_info 的元組中，然后被忽略，此時 Timer 不會嘗試任何異常處理。

在這種情況下不會處理任何異常。上下文管理器的一大特點是，無論上下文如何退出，都會確保調用.__exit__()。在以下示例中，創(chuàng)建除零公式模擬異常查看代碼功能：

from timer import Timer
with Timer():
    for num in range(-3, 3):
        print(f"1 / {num} = {1 / num:.3f}")

1 / -3 = -0.333
1 / -2 = -0.500
1 / -1 = -1.000
Elapsed time: 0.0001 seconds
Traceback (most recent call last):
  File "", line 3, in 
ZeroDivisionError: division by zero

注意，即使代碼拋出異常，Timer 也會打印出經過的時間。

使用 Python 定時器上下文管理器

現在我們將一起學習如何使用 Timer 上下文管理器來計時 "下載數據" 程序?；叵胍幌轮笆侨绾问褂?Timer 的：

# download_data.py
import requests
from timer import Timer
def main():
    t = Timer()
    t.start()
    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) 
    t.stop()
    with open('dataset/datasets.zip', 'wb') as f:
        f.write(res.content)

if __name__ == "__main__":
    main()

我們正在對 requests.get() 的調用進行記時監(jiān)控。使用上下文管理器可以使代碼更短、更簡單、更易讀：

# download_data.py
import requests
from timer import 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'}
    with Timer():
        res = requests.get(source_url, headers=headers)
        
    with open('dataset/datasets.zip', 'wb') as f:
        f.write(res.content)

if __name__ == "__main__":
    main()

此代碼實際上與上面的代碼相同。主要區(qū)別在于沒有定義無關變量t，在命名空間上無多余的東西。

寫在最后

將上下文管理器功能添加到 Python 計時器類有幾個優(yōu)點：

省時省力：只需要一行額外的代碼即可為代碼塊的執(zhí)行計時。
可讀性高：調用上下文管理器是可讀的，你可以更清楚地可視化你正在計時的代碼塊。

使用 Timer 作為上下文管理器幾乎與直接使用 .start() 和 .stop() 一樣靈活，同時它的樣板代碼更少。在該系列下一篇文章中，云朵君將和大家一起學習如何將 Timer 也用作裝飾器，并用于代碼中，從而更加容易地監(jiān)控代碼完整運行過程，我們一起期待吧！

網站名稱：如何用上下文管理器擴展Python計時器
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