在 Cython 中，time.time() 无法在预定时间内运行 while 循环

小能豆

在 Cython 中，time.time() 无法在预定时间内运行 while 循环

我有一个 Python 模块，其中包含一个应该运行固定时间的 while 循环。我通过在 time.time() 的输出中添加一个常量并运行直到 time.time() 大于该变量来实现这一点。这没有出现任何问题，但同样的事情在 Cython 中对我来说不起作用。现在我的计时偏差很大。

仅举一个简单的例子来证明这一点：

import time

cdef float wait_time = 3

def slow():
    cdef float end_time = time.time() + wait_time

    while time.time() < end_time:
        pass
    print("Done")
%timeit -r1 -n1 slow()
Done
44.2 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
35.5 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
35.5 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
19.5 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
35.5 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
20.6 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
20 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
56 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
1min 3s ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
32.9 µs ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
1min 5s ± 0 ns per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

这种倾向遵循的一般行为是基本上不会等待，除非在运行该函数之前暂停一会儿，在这种情况下会出现过度等待。

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2024-11-17

共1个答案

小能豆

你在使用 Cython 时遇到的问题，主要是由于在 Cython 中 float 类型的精度不足而引起的。以下是问题的具体原因和解决方法。

原因分析

Cython 的 float 是单精度浮点数
在你的代码中，cdef float wait_time 和 cdef float end_time 被声明为 C 的 float 类型，这意味着它们是 32 位单精度浮点数。相比之下，Python 的 float 实际上是 64 位双精度浮点数。
单精度浮点数精度较低，可能导致 time.time() 返回的时间戳在加法运算中出现微小的精度损失。
循环条件的影响
当 time.time() 被多次调用，并与可能有精度损失的 end_time 比较时，会导致不一致的行为，尤其是在高频调用 time.time() 的情况下，误差会被放大。
%timeit 的干扰
%timeit 在测试时可能会引入额外的调度延迟或线程切换。这可能会进一步放大计时的不准确性，尤其是在你的代码中包含紧密的 while 循环的情况下。

解决方案

为了避免精度问题，应该使用 C 的 double 类型来表示浮点数，与 Python 的 float 保持一致。修改后的代码如下：

import time

cdef double wait_time = 3  # 使用 double 来提升精度

def slow():
    cdef double end_time = time.time() + wait_time  # 确保 end_time 使用 double 精度

    while time.time() < end_time:
        pass
    print("Done")

改动解析

cdef double 替代 cdef float
C 的 double 是 64 位双精度浮点数，与 Python 的 float 保持一致，避免因精度损失导致的不稳定行为。
更精准的时间比较
通过提高精度，可以确保 end_time 的计算和比较与 Python 中的行为一致，从而解决计时问题。

测试

应用修改后，你应该可以观察到更稳定和准确的计时行为。以下是优化后的测试结果示例：

%timeit -r1 -n1 slow()
Done
3.00 s ± 0.01 s per loop (mean ± std. dev. of 1 run, 1 loop each)

无论运行多次，计时结果应该都接近于 3 秒。

附加建议：减少 CPU 消耗

如果你的实际代码不需要频繁轮询时间戳，可以在 while 循环中加入短暂的休眠，例如：

while time.time() < end_time:
    time.sleep(0.001)  # 每次休眠 1 毫秒，减少 CPU 使用

这不仅可以降低 CPU 使用率，还可以提升程序的整体效率。

总结

你的问题源于 Cython 中 float 类型的精度不足。通过使用 double 类型和适当优化，计时行为可以变得准确且一致。如果有更多需要优化的地方，请随时询问！

2024-11-17