C/C++ 各种计时函数比较

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前言

目前有各种计时函数,

  1. 一般的处理都是先调用计时函数, 记下当前时间start
  2. 然后运行自己的代码
  3. 再调用计时函数, 记下处理后的时间end
  4. 再end和start做差, 就可以得到程序的执行时间

但是各种计时函数的精度不一样.

序号函数类型精度级别时间
1timeC系统调用低<1s
2clcok windows, linux均可用, 推荐C系统调用低<10ms
3timeGetTimeWindows API中<1ms
4QueryPerformanceCounter windows下最好的方法Windows API高<0.1ms
5GetTickCountWindows API中<1ms
6RDTSC (实际不可用)指令高<0.1ms
7gettimeofday linux下最好的方法linux环境下C系统调用高<0.1ms

time

time()获取当前的系统时间, 返回的结果是一个time_t类型, 其值表示从"CUT(Coordinated Universal Time)时间1970年1月1日00:00:00(称为UNIX系统的Epoch时间)"到"当前时刻的秒数".

精度: 低, <1s

调用Sleep(50), 让程序暂停50ms, 测得运行时间为 0ms, 表明精度的低

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#include <time.h>
#define SLEEP_TIME 50

// test time()
void TestTime()
{
	time_t start, end;
	start = time(NULL);
	Sleep(50);
	end = time(NULL);
    cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << "Test time(): " << (end - start) * 1000 << "ms" << endl;
}

clock

clock()函数返回从"开启这个程序进程"到"程序中调用clock()函数"时之间的CPU时钟计时单元(clock tick)数, 在MSDN中称之为挂钟时间(wal-clock)
常量CLOCKS_PER_SEC, 它用来表示一秒钟会有多少个时钟计时单元

精度: 低, <10ms

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#include <time.h>
#define SLEEP_TIME 50

// test clock()
void TestClock()
{
	clock_t start, end;
	start = clock();
	Sleep(50);
	end = clock();
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed  << setprecision(17) << "Test clock(): " << ((double)end - start) / CLOCKS_PER_SEC * 1000 << "ms" << endl;
}

timeGetTime

timeGetTime()函数以毫秒级的系统时间. 该时间为从系统开启算起所经过的时间, 是windows api

精度: 中, <1ms

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#include <windows.h>
#define SLEEP_TIME 50
#pragma comment( lib,"winmm.lib" )

// test timeGetTime()
void TestTimeGetTime()
{
	DWORD start, end;
	start = timeGetTime();
	Sleep(50);
	end = timeGetTime();
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed << setprecision(17) << "Test timeGetTime(): " << ((double)end - start) / 1000 * 1000 << "ms" << endl;
}

QueryPerformanceCounter

QueryPerformanceCounter()这个函数返回高精确度性能计数器的值, 它可以以微秒为单位计时. 但是QueryPerformanceCounter()确切的精确计时的最小单位是与系统有关的, 所以, 必须要查询系统以得到QueryPerformanceCounter()返回的嘀哒声的频率. QueryPerformanceFrequency()提供了这个频率值, 返回每秒嘀哒声的个数.

精度: 高, <0.1ms

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#include <windows.h>
#define SLEEP_TIME 50

// test QueryPerformanceCounter()
void TestQueryPerformanceCounter()
{
	LARGE_INTEGER start, end, tc;
	QueryPerformanceFrequency(&tc);
	QueryPerformanceCounter(&start);
	Sleep(50);
	QueryPerformanceCounter(&end);
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed << setprecision(17) << "Test QueryPerformanceCounter(): " << ((double)end.QuadPart - start.QuadPart) / tc.QuadPart * 1000 << "ms" << endl;
}

GetTickCount

GetTickCount()返回(retrieve)从操作系统启动到现在所经过(elapsed)的毫秒数, 它的返回值是DWORD

精度: 中, <1ms

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#include <windows.h>
#define SLEEP_TIME 50

// test GetTickCount()
void TestGetTickCount()
{
	DWORD start, end;
	start = GetTickCount();
	Sleep(50);
	end = GetTickCount();
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed << setprecision(17) << "Test GetTickCount(): " << ((double)end - start) / 1000 * 1000 << "ms" << endl;
}

RDTSC

RDTSC指令, 在Intel Pentium以上级别的CPU中, 有一个称为"时间戳(Time Stamp)"的部件, 它以64位无符号整型数的格式, 记录了自CPU上电以来所经过的时钟周期数。由于目前的CPU主频都非常高, 因此这个部件可以达到纳秒级的计时精度。这个精确性是上述几种方法所无法比拟的. 在Pentium以上的CPU中, 提供了一条机器指令RDTSC(Read Time Stamp Counter)来读取这个时间戳的数字, 并将其保存在EDX:EAX寄存器对中. 由于EDX:EAX寄存器对恰好是Win32平台下C语言保存函数返回值的寄存器, 所以我们可以把这条指令看成是一个普通的函数调用, 因为RDTSC不被C的内嵌汇编器直接支持, 所以我们要用_emit伪指令直接嵌入该指令的机器码形式0X0F、0X31

然而真相

多核时代不宜再用 x86 的 RDTSC 指令测试指令周期和时间

  1. 不能保证同一块主板上每个核的 TSC 是同步的；
  2. CPU 的时钟频率可能变化, 例如笔记本电脑的节能功能；
  3. 乱序执行导致 RDTSC 测得的周期数不准, 这个问题从 Pentium Pro 时代就存在。
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#define SLEEP_TIME 50
// test RDTSC
// 多核时代不宜再用 x86 的 RDTSC 指令测试指令周期和时间
// 1. 不能保证同一块主板上每个核的 TSC 是同步的；
// 2. CPU 的时钟频率可能变化, 例如笔记本电脑的节能功能；
// 3. 乱序执行导致 RDTSC 测得的周期数不准, 这个问题从 Pentium Pro 时代就存在。

inline unsigned __int64 GetCycleCount()
{
	__asm
	{
		_emit 0x3F;
		_emit 0x31;
	}
}

// 我的CPU频率
#define FREQUENCY (2.6*(1<<30))  
void TestRDTSC()
{
	unsigned __int64 start, end;
	start = GetCycleCount();
	Sleep(50);
	end = GetCycleCount();
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed << setprecision(17) << "Test RDTSC(): " << ((double)end - start) / FREQUENCY * 1000 << "ms" << endl;
}

gettimeofday

gettimeofday() linux环境下的计时函数, int gettimeofday(struct timeval* tv , struct timezone* tz), gettimeofday()会把目前的时间有tv所指的结构返回, 当地时区的信息则放到tz所指的结构中.

精度: 高, <0.1ms

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#define SLEEP_TIME 50

// test gettimeofday()

// timeval结构定义为:
struct timeval {
	long tv_sec;  // 秒
	long tv_usec; // 微秒
};

//timezone 结构定义为:
struct timezone {
	int tz_minuteswest; // 和Greenwich 时间差了多少分钟
	int tz_dsttime;		// 日光节约时间的状态
};

void TestGetTimeOfDay()
{
	timeval start, end;
	double timeuse;
	gettimeofday(&start, NULL);
    Sleep(50);
	gettimefoday(&end, NULL);
	timeuse = end.tv_sec - start.tv_sec + (end.tv_usec - start.tv_usec) / 50000.0;
	cout << "Sleep(" << SLEEP_TIME << ") :" << endl;
	cout << fixed << setprecision(17) << "Test gettimeofday(): " << timeuse * 1000 << "ms" << endl;
}
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