Python中的精确循环计时答案

【问题标题】：Precise loop timing in PythonPython中的精确循环计时
【发布时间】：2017-07-22 18:17:03
【问题描述】：

对于this project，我正在设计一个音序器/鼓机，它应该能够以精确的速度发送 MIDI 音符。示例：每 2 秒 16 个音符（即在音乐术语中，每小节 16 个 1/16 音符，BPM 120），即每 125 毫秒一个音符。

我在想：

import time

def midi_note_send(...):
    ....

while True:
    midi_note_send(...)
    time.sleep(0.125)

如果我这样做，如何确保它恰好是 125 毫秒？这个循环的 1000 次迭代是否存在使用 126 秒而不是 125 秒的风险？如果是这样，如何有一个更精确的循环？

最后一点：好的鼓机应该能够在 1 小时内保持 120 BPM 的节奏，精度误差使用的平台：Linux + RaspberryPi 但这个问题一般是有效的。

【问题讨论】：

坏消息：time documentation 基本上为零保证实际需要多长时间睡眠。它可以小于或大于请求的时间，任意数量。如您所知， sleep(0.125) 可能需要 0.0001 秒或一百万年。（当然，这两种情况都不太可能，但是...）
你可能想看看here，我提供了一种方法来阻止睡眠漂移。
@Kevin 哇，我以前从未读过time.sleep 的文档字符串。 In 3.5 it was modified 睡眠至少指定的时间量。

标签： python time timer

【解决方案1】：

您可以使用绝对时间（来自time.time()）来计算您的睡眠时间。

starttime = time.time()
for i in range(100):
    midi_note_send(...)
    sleep_duration = (i + 1) * 0.125 - time.time() + starttime
    time.sleep(sleep_duration)

【讨论】：

【解决方案2】：

至少，你应该考虑midi_note_send的计算时间

import time

# Define a generator for timing
def next_time(t0, dt):
    while 1:
        t0 += dt
        yield t0

# Initialize timer and start loop
timer = next_time(time.time(), 0.125)
while True:
    midi_note_send(...)
    time.sleep(next(timer) - time.time())

【讨论】：

【解决方案3】：

这里有一个替代方案，它应该尽可能准确地保持计算机时钟允许的拍频，只要您愿意。它的代价是单个节拍最多延迟 1 毫秒，这可能更糟，但这只是为了展示替代方案：

# Time between beats
beat_length = 0.125

# Send first beat and initialize next beat time
midi_note_send()
next_beat = time.time() + beat_length

while True:
    # Poll the time in 1ms increments until enough time has elapsed
    while time.time() < next_beat:
        time.sleep(0.001)
    # Send the next note
    midi_note_send()
    # Increment the next beat time
    next_beat += beat_length

您可以通过更改睡眠时间来提高单个节拍的准确性（例如，更改为 0.0001 以获得 0.1 毫秒的精度），但会因您更频繁地轮询时间而牺牲 CPU 使用率。

【讨论】：

【解决方案4】：

扩展其他答案，所有这些答案都建议考虑处理您的笔记所花费的时间，这是一个可以轻松内置到课程中的速率限制器。如果所需的速率非常接近处理函数的经过时间，它还可以避免尝试休眠。

def rate_limit(rate, previous=0):
   duration = time.time() - previous
   if duration > 0: 
      sleep_time = 1.0 / rate - duration
      if sleep_time > 0.0:
         time.sleep(sleep_time)
    return time.time()

previous = 0
for i in range(120):
   midi_note_send(...)
   previous = rate_limit(120, previous)

【讨论】：

【解决方案5】：

正如我所展示的here

import time
def drummer():
    counter = 0
    # time.sleep(time.time() * 8 % 1 / 8) # enable to sync clock for demo
    while counter < 60 * 8:
        counter += 1
        print time.time()
        time.sleep(.125 - time.time() * 8 % 1 / 8)

此计时器会调整每个节拍并重新对齐。

而且调整几乎不需要时间：

timeit.timeit("time.time() * 8 % 1 / 8", number=1000000)
0.2493131160736084

这意味着每次执行大约需要 0.25 微秒

为了准确：

1488490895.000160
1488490895.125177
1488490895.250167
1488490895.375151
1488490895.500166
1488490895.625179
1488490895.750178
1488490895.875153

音符之间的漂移约为 28 微秒。在本地运行更长的时间会产生约 130μs 的总漂移（+- 65μs），但由于它每拍都与时钟同步，因此不会随着时间的推移而偏离。

【讨论】：