在C语言中如何测量经过的时间？

Question

所以，我想看一下我的代码中的某个函数需要多长时间才能运行（实时）。

最初我的代码是这样的：

clock_t begin = clock();
my_function();
clock_t end = clock();
double time_spent = (double)(end - begin);

但显然，这种方法存在一些问题。

1. 它仅测量CPU处理我的应用程序所花费的时间。
2. 从我所看到的来看，它只以微秒为单位进行测量，这对我的情况不够精确。

那么，获取函数运行所需时间的正确方法是什么？CPU时间真的是正确的方法吗？我能测量多精确？我在考虑纳秒级别？

- Kyu96

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对于实时性，您可以使用gettimeofday，但无法达到纳秒级别，而且您可能不在实时系统上，因此即使是毫秒级别实际上也超出了您可以期望的有效精度。 - bruno

@bruno 我明白了。当基准测试函数的运行时，实时方式是首选吗？ - Kyu96

@bruno：在拥有它的系统上，gettimeofday已经被弃用，而是使用clock_gettime（它具有纳秒分辨率，但测量诸如几十ns之类的实际开销）。而乱序执行意味着您无法可靠地计时小于该时间的定时区域，除非您了解您的CPU，并使用x86 lfence; rdtsc来控制OoO exec。请参见Idiomatic way of performance evaluation?关于微小定时区域的内容。 - Peter Cordes

Answer 1

所以，你应该问自己是否真的需要纳秒级别。处理器以GHz级别的时钟频率运行，这意味着指令执行需要大约纳秒的时间。这意味着纳秒精度极其复杂（如果不是不可能）进行测量。

C11带有新的timespec_get可以以纳秒分辨率获取时间，但它肯定不那么准确。

如果您的目标是测量函数的执行时间，则最好的选择是在循环中调用函数，像执行它一千次，并使用微秒精度来测量它，这肯定比任何声称具有纳秒精度的计时器更接近于纳秒精度。

- Puck

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公正的观点。是的，我认为微秒可能已经足够了 - 然后在多次迭代之后得到平均值。我假设实时是衡量函数运行时间的常见方式，对吗？ - Kyu96

@Kyu96 不，我认为实时性不是最好的选择，因为它通常只有1秒的精度。这个问题很有启发性 https://dev59.com/jHRC5IYBdhLWcg3wP-n5#368843 ，我会应用第二个答案来解决你的问题，该答案基于时钟滴答数来测量时间。 - Puck

循环调用将测量吞吐量。或者，如果您使下一个输入依赖于上一个输出，则测量延迟。微基准测试很难，并且有时必须小心，以获得优化的代码，而不会让编译器优化掉您想要测量的内容。相关：性能评估的惯用方式？ - Peter Cordes

Puck: @Kyu96 问是否以挂钟时间（又称实时时间）作为衡量标准，而不是由操作系统记录的进程 CPU 时间。你可以高精度地测量任一时间。我通常用时钟周期来测量东西，所以在控制 CPU 频率缩放方面可能会稍微有些粗心，只要它不太依赖于内存带宽或延迟。如果你要测量的东西没有进行任何 I/O 操作，在一个空闲系统上，其中没有上下文切换可以从你的进程中窃取时间，挂钟时间和 CPU 时间基本上是等效的。中断不计入... - Peter Cordes

Answer 2

C标准没有定义一种可移植的方法来实现这一点。time()库函数有一个1秒的定义，这对您的目的来说不合适。正如@Puck所提到的，C11引入了timespec_get()来检索更精确的时间值，但是此函数并不广泛支持，可能无法提供预期的准确性。

其他功能在选定的系统上可用：

• POSIX标准定义了gettimeofday()和clock_gettime()，可以使用参数CLOCK_REALTIME返回精确的实时时间。

• OS/X有一个更精确的替代方法：clock_gettime_nsec_np，以纳秒为单位返回64位值。

• Microsoft为Windows文档化了this。

请注意，进行精确可靠的亚微秒基准测试是一项非常困难的任务，这一点不容忽视。

- chqrlie