一文读懂 Python 的 time 模块：时间处理全攻略

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一文读懂 Python 的 time 模块：时间处理全攻略

在 Python 编程中，对时间的处理是一项常见且重要的任务。time模块作为 Python 标准库的一部分，提供了丰富的函数和工具，用于访问、转换和操作时间。本文将深入剖析time模块的各个方面，包括基本概念、常用函数、时间表示的转换、时钟类型、时区处理以及相关注意事项，帮助读者全面掌握time模块的使用，提升在时间处理相关编程场景中的能力。

文章目录

一文读懂 Python 的 time 模块：时间处理全攻略

一、time 模块基础概念

（一）epoch 与纪元秒数

epoch 是时间起始点，在所有平台上，time.gmtime(0)的返回值都是 1970-01-01 00:00:00 (UTC)。纪元秒数指从 epoch 开始经过的总秒数，通常不包含闰秒，在符合 POSIX 标准的平台上，闰秒不会被记录在总秒数中。

（二）时间表示与术语

UTC 与 DST：UTC 即协调世界时，曾被称为格林威治标准时间（GMT）。DST 是夏令时，在一年中特定时段将当地时间调整（通常为一小时），其规则由当地法律确定，C 语言库通过表格（通常从系统文件读取）记录各地规则。
struct_time 对象：gmtime()、localtime()和strptime()返回的时间值是一个包含 9 个整数的序列，以struct_time对象表示。该对象可通过索引和属性名访问各个时间字段，如tm_year（年份）、tm_mon（月份，范围是 [1, 12]）等。

二、time 模块的常用函数

（一）时间转换函数

gmtime([secs])：将自 epoch 开始的秒数转换为 UTC 时间的struct_time对象，若未传入secs，则使用当前时间。例如：

import time
utc_time = time.gmtime()
print(utc_time)

localtime([secs])：与gmtime()类似，但转换为本地时间。当 DST 适用于给定时间时，dst标志设置为 1。若时间戳超出平台 C 函数支持范围，可能引发OverflowError或OSError 。示例：

local_time = time.localtime()
print(local_time)

mktime(t)：localtime()的反函数，将struct_time对象或 9 元组（需包含dst标志，未知时用 - 1）表示的本地时间转换为自 epoch 开始的秒数（浮点数）。若输入值无效，会引发OverflowError或ValueError 。例如：

time_tuple = (2024, 10, 1, 12, 0, 0, 0, 0, -1)
seconds = time.mktime(time_tuple)
print(seconds)

asctime([t])：将gmtime()或localtime()返回的struct_time对象或相应元组转换为指定格式的字符串，如 ‘Sun Jun 20 23:21:05 1993’。若未提供t，则使用当前本地时间，且该函数不添加尾随换行符。示例：

time_str = time.asctime()
print(time_str)

ctime([secs])：将距离 epoch 的秒数表示的时间转换为本地时间的字符串形式，等价于asctime(localtime(secs))。若未提供secs，则使用当前时间。示例：

ctime_str = time.ctime()
print(ctime_str)

函数名	作用	输入	输出	注意事项
`gmtime([secs])`	将秒数转换为 UTC 时间的`struct_time`对象	秒数（可选，默认当前时间）	`struct_time`对象	忽略一秒以内的小数
`localtime([secs])`	将秒数转换为本地时间的`struct_time`对象	秒数（可选，默认当前时间）	`struct_time`对象	可能引发`OverflowError`或`OSError`
`mktime(t)`	将`struct_time`对象或 9 元组转换为秒数	`struct_time`对象或 9 元组	浮点数	输入无效时引发异常
`asctime([t])`	将`struct_time`对象或元组转换为指定格式字符串	`struct_time`对象或元组（可选，默认当前本地时间）	字符串	不添加尾随换行符
`ctime([secs])`	将秒数转换为本地时间的字符串形式	秒数（可选，默认当前时间）	字符串	等价于`asctime(localtime(secs))`

（二）时间格式化函数

strftime(format [, t])：根据指定的format字符串，将gmtime()或localtime()返回的时间（struct_time对象或元组）转换为字符串。format字符串中包含各种指令，用于指定输出格式。例如：

current_time = time.localtime()
formatted_time = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", current_time)
print(formatted_time)

strptime(string [, format])：根据format字符串解析表示时间的字符串，返回struct_time对象。format默认为匹配ctime()返回的格式。若字符串无法解析或有多余数据，会引发ValueError 。示例：

time_str = "2024-10-01 12:00:00"
parsed_time = time.strptime(time_str, "%Y-%m-%d %H:%M:%S")
print(parsed_time)

（三）其他实用函数

time()：返回以浮点数表示的从 epoch 开始的秒数，即 Unix 时间。不同平台对闰秒的处理方式不同，且部分系统精度可能低于 1 秒，系统时钟设置可能导致返回值出现异常。示例：

seconds_since_epoch = time.time()
print(seconds_since_epoch)

sleep(secs)：使调用方线程暂停执行指定的秒数，secs可以是浮点数以指定更精确的休眠时间。在 Windows 和 Unix 系统上的实现方式有所不同，且睡眠过程可能受信号中断和系统活动影响。例如：

print("开始睡眠")
time.sleep(2)
print("睡眠结束")

tzset()：重置库例程使用的时间转换规则，通过设置环境变量TZ来指定转换方式。该函数还会设置tzname、timezone、altzone和daylight等变量。示例：

import os
os.environ['TZ'] = 'EST+05EDT,M4.1.0,M10.5.0'
time.tzset()

三、时钟类型与相关函数

（一）单调时钟

monotonic()：返回一个单调时钟的值，该时钟不能倒退且不受系统时钟更新影响，只有两次调用之间的差值有效。可使用monotonic_ns()避免float类型导致的精度损失。示例：

start = time.monotonic()
# 执行一些操作
end = time.monotonic()
duration = end - start
print(f"操作耗时: {duration} 秒")

monotonic_ns()：与monotonic()类似，但返回时间为纳秒数。

（二）性能计数器

perf_counter()：返回用于测量较短持续时间的高性能计数器的值，包括睡眠状态消耗的时间，作用于全系统范围，两次调用差值有效。可使用perf_counter_ns()避免精度损失。例如：

start = time.perf_counter()
# 执行一些操作
end = time.perf_counter()
duration = end - start
print(f"操作耗时: {duration} 秒")

perf_counter_ns()：返回纳秒时间。

（三）进程和线程时间

process_time()：返回当前进程的系统和用户 CPU 时间总计值，不包括睡眠状态消耗时间，仅作用于进程范围，两次调用差值有效。可使用process_time_ns()避免精度损失。示例：

start = time.process_time()
# 执行一些进程相关操作
end = time.process_time()
duration = end - start
print(f"进程操作耗时: {duration} 秒")

process_time_ns()：返回纳秒时间。
thread_time()：返回当前线程的系统和用户 CPU 时间总计值，不包括睡眠状态消耗时间，仅作用于线程范围，可使用thread_time_ns()避免精度损失。示例：

import threading

def thread_function():
    start = time.thread_time()
    # 线程执行一些操作
    end = time.thread_time()
    duration = end - start
    print(f"线程操作耗时: {duration} 秒")

thread = threading.Thread(target=thread_function)
thread.start()
thread.join()

thread_time_ns()：返回纳秒时间。

时钟类型	函数名	作用	精度	适用场景
单调时钟	`monotonic()`	返回单调时钟值（秒）	秒（`float`类型，可通过`monotonic_ns()`提高精度）	测量相对时间间隔，不受系统时钟调整影响
	`monotonic_ns()`	返回单调时钟值（纳秒）	纳秒	高精度测量相对时间间隔
性能计数器	`perf_counter()`	返回高性能计数器值（秒），包含睡眠时间	秒（`float`类型，可通过`perf_counter_ns()`提高精度）	精确测量短时间操作的耗时
	`perf_counter_ns()`	返回高性能计数器值（纳秒）	纳秒	高精度测量短时间操作的耗时
进程时间	`process_time()`	返回当前进程 CPU 时间总计值（秒），不包含睡眠时间	秒（`float`类型，可通过`process_time_ns()`提高精度）	测量进程 CPU 使用时间
	`process_time_ns()`	返回当前进程 CPU 时间总计值（纳秒）	纳秒	高精度测量进程 CPU 使用时间
线程时间	`thread_time()`	返回当前线程 CPU 时间总计值（秒），不包含睡眠时间	秒（`float`类型，可通过`thread_time_ns()`提高精度）	测量线程 CPU 使用时间
	`thread_time_ns()`	返回当前线程 CPU 时间总计值（纳秒）	纳秒	高精度测量线程 CPU 使用时间

四、时区处理

（一）时区常量

time模块提供了altzone、daylight、timezone和tzname等常量用于处理时区相关信息。但这些常量的值由模块加载或tzset()最后一次调用时生效的时区规则确定，对于过去时间可能不准确，建议使用localtime()结果中的tm_gmtoff和tm_zone获取时区信息。

（二）设置时区

通过设置环境变量TZ并调用tzset()函数，可以重置时间转换规则。TZ环境变量有特定的格式，不同系统还可通过设置TZ为系统 ‘zoneinfo’ 时区数据库路径来指定时区规则。

五、注意事项与局限性

平台差异：time模块的函数在不同平台上的行为和可用性可能不同，部分函数仅在特定操作系统上可用，使用时需查阅对应平台文档。
精度问题：受系统限制，部分函数的精度可能无法达到预期，如在某些 Unix 系统上，时钟频率较低。使用time()和sleep()时，虽然它们在 Python 中精度有所提升，但仍可能受系统活动影响。
时间范围限制：模块中的函数可能无法处理 epoch 之前或遥远未来的日期和时间，对于 32 位系统，“遥远未来” 通常指 2038 年之后。

总结

time模块是 Python 处理时间的重要工具，涵盖了时间获取、转换、格式化以及时钟测量等多种功能。通过理解 epoch、UTC、DST 等基本概念，掌握常用函数的使用方法，以及注意不同时钟类型的特点和时区处理方式，开发者能够在编程中灵活处理各种时间相关需求。但在使用过程中，要充分考虑平台差异、精度问题和时间范围限制，确保程序的正确性和稳定性。