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計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（time_t, clock_t）-whyliyi-ChinaUnix博客
我們有時(shí)需要得到程序的運(yùn)行時(shí)間，但我們也要知道，根本不可能精確測(cè)量某一個(gè)程序運(yùn)行的確切時(shí)間 -[3] ，文獻(xiàn) [4] 中說的很明白，現(xiàn)摘錄如 下。

   我們平時(shí)常用的測(cè)量運(yùn)行時(shí)間的方法并不是那么精確的，換句話說，想精確獲取程序運(yùn)行時(shí)間并不是那么 容易的。也許你會(huì)想，程序不就是一條條指令么，每一條指令序列都有固定執(zhí)行時(shí)間，為什么不好算？真實(shí)情況下，我們的計(jì)算機(jī)并不是只運(yùn)行一個(gè)程序的，進(jìn)程的 切換，各種中斷，共享的多用戶，網(wǎng)絡(luò)流量，高速緩存的訪問，轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)等，都會(huì)對(duì)計(jì)時(shí)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn) [4] 中還提到：對(duì)于進(jìn)程調(diào)度來 講，花費(fèi)的時(shí)間分為兩部分，第一是計(jì)時(shí)器中斷處理的時(shí)間，也就是當(dāng)且僅當(dāng)這個(gè)時(shí)間間隔的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)選擇，是繼續(xù)當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行還是切換到另外一個(gè)進(jìn) 程中去。第二是進(jìn)程切換時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)要從進(jìn)程 A 切換到進(jìn)程 B 時(shí)，它必須先進(jìn)入內(nèi)核模式將進(jìn)程 A 的狀態(tài) 保存，然后恢復(fù)進(jìn)程 B 的狀態(tài)。因此，這個(gè)切換過程是有內(nèi)核活動(dòng)來消耗時(shí)間的。具體到進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間，這個(gè)時(shí)間也包括內(nèi)核 模式和用戶模式兩部分，模式之間的切換也是需要消耗時(shí)間，不過都算在進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間中了。那么有哪些方法能統(tǒng)計(jì)程序的運(yùn)行時(shí)間呢？通過查找一些資料并結(jié)合自己的實(shí)踐體會(huì)，摘錄和總結(jié)了下面 幾種方法。

一、 Linux 的 time 命令

   Linux 系統(tǒng)下統(tǒng)計(jì)程序運(yùn)行實(shí)踐最簡(jiǎn)單直接的方法就是使用 time 命令，文獻(xiàn) [1, 2] 中詳細(xì)介紹了 time 命令的用法。此命令的用途在于測(cè)量特定指令執(zhí)行時(shí)所需消耗的時(shí)間及系統(tǒng)資源等資訊，在統(tǒng)計(jì)的時(shí)間結(jié) 果中包含以下數(shù)據(jù)：***(1) 實(shí)際時(shí)間（ real time ）：從命令行執(zhí)行到運(yùn)行終止的消逝時(shí)間；(2) 用戶 CPU 時(shí)間（ user CPU time ）：命 令執(zhí)行完成花費(fèi)的系統(tǒng) CPU 時(shí)間，即命令在用戶態(tài)中執(zhí)行時(shí)間的總和；(3) 系統(tǒng) CPU 時(shí)間（ system CPU time ）： 命令執(zhí)行完成花費(fèi)的系統(tǒng) CPU 時(shí)間，即命令在核心態(tài)中執(zhí)行時(shí)間的總和。其中，用戶 CPU 時(shí) 間和系統(tǒng) CPU 時(shí)間之和為 CPU 時(shí) 間，即命令占用 CPU 執(zhí)行的時(shí)間總和。實(shí)際時(shí)間要大于 CPU 時(shí) 間，因?yàn)?Linux 是多任務(wù)操作系統(tǒng)，往往在執(zhí)行一條命令時(shí)，系統(tǒng)還要處理其他任務(wù)。另一個(gè)需要注意的問題是即使每次 執(zhí)行相同的命令，所花費(fèi)的時(shí)間也不一定相同，因?yàn)槠浠ㄙM(fèi)的時(shí)間與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)。***

二、間隔計(jì)數(shù) [4]

   上面介紹的 time 命 令能測(cè)量特定進(jìn)程執(zhí)行時(shí)所消耗的時(shí)間，它是怎么做到的呢？操作系統(tǒng)用計(jì)時(shí)器來記錄每個(gè)進(jìn)程使用的累計(jì)時(shí)間，原理很簡(jiǎn)單，計(jì)時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)在當(dāng)前 進(jìn)程列表中尋找哪個(gè)進(jìn)程是活動(dòng)的，一旦發(fā)現(xiàn)進(jìn)程 A 正在運(yùn)行立馬就給進(jìn)程 A 的計(jì)數(shù)值增加計(jì)時(shí)器的時(shí)間間隔（這也是引起較大誤差的原因）。當(dāng)然不是統(tǒng)一增加的，還要確定這個(gè)進(jìn)程 是在用戶空間活動(dòng)還是在內(nèi)核空間活動(dòng)，如果是用戶模式，就增加用戶時(shí)間，如果是內(nèi)核模式，就增加系統(tǒng)時(shí)間。這種方法的原理雖然簡(jiǎn)單但不精確。如果一個(gè)進(jìn)程 的運(yùn)行時(shí)間很短，短到和系統(tǒng)的計(jì)時(shí)器間隔一個(gè)數(shù)量級(jí)，用這種方法測(cè)出來的結(jié)果必然是不夠精確的，頭尾都有誤差。不過，如果程序的時(shí)間足夠長(zhǎng)，這種誤差有時(shí) 能夠相互彌補(bǔ)，一些被高估一些被低估，平均下來剛好。從理論上很難分析這個(gè)誤差的值，所以一般只有程序達(dá)到秒的數(shù)量級(jí)時(shí)用這種方法測(cè)試程序時(shí)間才有意義。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是它的準(zhǔn)確性不是非常依賴于系統(tǒng)負(fù)載。實(shí)現(xiàn)方法之一就是上面介紹的 time 命 令，之二是使用 tms 結(jié)構(gòu)體和 times 函 數(shù)。在 Linux 中，提供了一個(gè) times 函數(shù)，原型是clock_t times( struct tms * buf );

這個(gè) tms 的結(jié)構(gòu)體為

struct tms

{

   clock_t tms_utime;             //user timeclock_t tms_stime;             //system timeclock_t tms_cutime;    //user time of reaped childrenclock_t tms_cstime;     //system time of reaped children

}

這里的 cutime 和 cstime ，都是對(duì)已經(jīng)終止并回收的時(shí)間的累計(jì)，也就是說， times 不能監(jiān)視任何正在進(jìn)行中的子進(jìn)程所使用的時(shí)間。使用 times 函數(shù)需要包含頭文件 sys/times.h 。

三、周期計(jì)數(shù) [4]

   為了給計(jì)時(shí)測(cè)量提供更高的準(zhǔn)確度，很多處理器還包含一個(gè)運(yùn)行在始終周期級(jí)別的計(jì)時(shí)器，它是一個(gè)特殊 的寄存器，每個(gè)時(shí)鐘周期它都會(huì)自動(dòng)加 1 。這個(gè)周期計(jì)數(shù)器呢，是一個(gè) 64 位無 符號(hào)數(shù)，直觀理解，就是如果你的處理器是 1GHz 的，那么需要 570 年，它才會(huì)從 2 的 64 次方繞回到 0 ，所以 你大可不必考慮溢出的問題。但是這種方法是依賴于硬件的。首先，并不是每種處理器都有這樣的寄存器的；其次，即使大多數(shù)都有，實(shí)現(xiàn)機(jī)制也不一樣，因此，我 們無法用統(tǒng)一的，與平臺(tái)無關(guān)的接口來使用它們。這下，就要使用匯編了。當(dāng)然，在這里實(shí)際用的是 C 語(yǔ)言 的嵌入?yún)R編：

void counter( unsigned *hi, unsigned *lo ){asm(”rdtsc; movl %%edx,%0; movl %%eax, %1″

“=r” (*hi), “=r” (*lo)
:

“%edx”, “%eax”);
}

第一行的指令負(fù)責(zé)讀取周期計(jì)數(shù)器，后面的指令表示將其轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn)或寄存器。這樣，我們將這段代碼封裝到函數(shù)中，就可以在需要測(cè)量 的代碼前后均加上這個(gè)函數(shù)即可。最后得到的 hi 和 lo 值都是兩個(gè)，除了相減得到間隔值外，還要進(jìn)行一些處理，在此 不表。

   不得不提出的是，周期計(jì)數(shù)方式還有一個(gè)問題，就是我們得到了 兩次調(diào)用 counter 之間總的周期數(shù)，但我們不知道是哪個(gè)進(jìn)程使用了這些周期，或者說處理器是在內(nèi)核還是在用戶模式 中。間隔計(jì)數(shù)的好處就是它是操作系統(tǒng)控制給進(jìn)程計(jì)時(shí)的，我們可以知道具體哪個(gè)進(jìn)程呢個(gè)模式；但是周期計(jì)數(shù)只測(cè)量經(jīng)過的時(shí)間，他不管是哪個(gè)進(jìn)程使用的。所 以，用周期計(jì)數(shù)的話必須很小心。舉個(gè)例子：double time(){start_counter();p();get_counter();

}

這樣一段程序，如果機(jī)器的負(fù)載很重，會(huì)導(dǎo)致 p 運(yùn)行 時(shí)間很長(zhǎng)，而其實(shí) p 函數(shù)本身是不需要運(yùn)行這么長(zhǎng)時(shí)間的，而是上下文切換等過程將它的時(shí)間拖長(zhǎng)了。

   而且，轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)和高速緩存的命中率，對(duì)這個(gè)計(jì)數(shù)值也會(huì)有影響。通常情況下，為了減少高速緩存不命中 給我們程序執(zhí)行時(shí)間帶來的影響，可以執(zhí)行這樣的代碼：double time_warm(void){p();start_counter();p();get_counter();

}

它讓指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存都得到了 warm-up 。

   接下來又有問題。如果我們的應(yīng)用是屬于那種每次執(zhí)行都希望訪問新的數(shù)據(jù)的那種呢？在這種情況下，我 們希望讓指令高速緩存 warm-up ，而數(shù)據(jù)高速緩存不能 warm-up ，很明顯， time-warm 函數(shù)低估我們的運(yùn)行時(shí)間了。進(jìn)一步修改：double time_cold( void ){p();clear_cache();start_counter();p();get_counter();

}

注意，程序中加入了一個(gè)清除數(shù)據(jù)緩存的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn) 單，依情況而定，比如舉個(gè)例子：

   volatile int tmp;static int dummy[N];     //N 是需要清理緩存的字節(jié)數(shù)void clear_cache( void ){int i, sum = 0;for( i=1; idummy[i] = 2;for( i=1; isum += dummy[i];tmp = sum;

}

具體原理很簡(jiǎn)單，定義一個(gè)數(shù)組并在其上執(zhí)行一個(gè)計(jì)算，計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋高速數(shù)據(jù)緩存中原有的數(shù) 據(jù)。每一次的 store 和 load 都會(huì)讓高速數(shù)據(jù)緩存 cache 這個(gè)數(shù)組，而定義為 volatile 的 tmp 則保證這段代碼不會(huì)被優(yōu)化。

   這樣做，是不是就萬(wàn)無一失了呢？不是的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)處理器， L2 高速緩存是不分指令和數(shù)據(jù)的，這樣 clear_cache 會(huì)讓所有 p 的指令也被清除，只不過： L1 緩存中的指令還會(huì)保留而已。其實(shí)上面提到的諸多原因，都是我們不能控制的，我們無法控制讓高速緩存去加載什么，不去加載什么， 加載時(shí)去掉什么。保留什么。而且，這些誤差通常都是會(huì)過高估計(jì)真實(shí)的運(yùn)行時(shí)間。那么具體使用時(shí)，有沒有什么辦法來改善這種情況呢？有，就是 The K-Best Measurement Scheme 。這其實(shí)很麻煩，所以在具體實(shí)踐中都不用它。

四、 gettimeofday 函數(shù)計(jì)時(shí) [4]

   gettimeofday 是一個(gè)庫(kù)函數(shù)，包含在 time.h 中。它的功能是查詢系統(tǒng)時(shí)鐘，以確定當(dāng)前的日期和時(shí)間。相對(duì)于間隔計(jì)數(shù)的小適用范圍和周期計(jì)數(shù)的麻煩性， gettimeofday 是一個(gè)可移植性更好相對(duì)較準(zhǔn)確的方法。它的原型如下：struct timeval{long tv_sec;  // 秒 域long tv_usec;       // 微妙域

}

int gettimeofday( struct timeval *tv, NULL);

   這個(gè)機(jī)制呢，具體的實(shí)現(xiàn)方式在不同系統(tǒng)上是不一樣的，而且具體的精確程度是和系統(tǒng)相關(guān)的：比如在 Linux 下，是用周期計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)的，所以和周期計(jì)數(shù)的精確度差不多，但是在 Windows NT 下，是使用間隔計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的，精確度就很低了。具體使用，就是在要計(jì)算運(yùn)行時(shí)間的程序段之前和之后分別加上 gettimeofday( &tvstart, NULL) 、 gettimeofday( &tvend, NULL) ，然后計(jì)算：

(tvend.tv_sec-tvstart.tv_sec)+(tvend.tv_usec-tvstart.tv_usec)/1000000

就得到了以秒為單位的計(jì)時(shí)時(shí)間。

五、 clock 函數(shù)

   clock 也是一個(gè)庫(kù)函數(shù)，仍然包含在 time.h 中，函數(shù)原型是：clock_t clock( void );

功能：返回自程序開始運(yùn)行的處理器時(shí)間，如果無可用信息，返回 -1 。轉(zhuǎn)換返回值若以秒計(jì)需除以 CLOCKS_PER_SECOND 。（注：如果編譯器是 POSIX 兼 容的， CLOCKS_PER_SECOND 定義為 1000000 。） [5]

   使用 clock 函數(shù)也比較簡(jiǎn)單：在要計(jì) 時(shí)程序段前后分別調(diào)用 clock 函數(shù)，用后一次的返回值減去前一次的返回值就得到運(yùn)行的處理器時(shí)間，然后再轉(zhuǎn)換為秒。舉例如下：clock_t starttime, endtime;double totaltime;starttime = clock();…endtime = clock();totaltime = (double)( (endtime - starttime)/(double)CLOCKS_PER_SEC );

六、 time 函數(shù)

   在 time.h 中還包含另一個(gè)時(shí)間函 數(shù)： time 。文獻(xiàn) [6] 對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通 過 time() 函數(shù)來獲得日歷時(shí)間（ Calendar Time ），其原型為： time_t time( time_t * timer ) 。通過 difftime 函數(shù)可以計(jì)算前后 兩次的時(shí)間差： double difftime( time_t time1, time_t time0 ) 。用 time_t 表示的時(shí)間（日歷時(shí) 間）是從一個(gè)時(shí)間點(diǎn)（例如： 1970 年 1 月 1 日 0 時(shí) 0 分 0 秒）到此時(shí)的秒數(shù)，則此函數(shù)的前后兩次時(shí)間差也是以秒為單位。比如：time_t startT, endT;double totalT;startT = time( NULL );…endT = time( NULL );totalT = difftime( startT, endT);關(guān)于此函數(shù)的其他應(yīng)用請(qǐng)參見文獻(xiàn) [6] 。

總結(jié)：

   使用相應(yīng)的方法，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，還需要關(guān)注它們可以表示的范圍和精度，這樣才能“挑肥揀瘦”。先 來看看時(shí)間函數(shù)中經(jīng)常用到的兩個(gè)數(shù)據(jù)類型的定義：// clock_t 的定義

#ifndef _CLOCK_T_DEFINED
typedef long clock_t;
#define _CLOCK_T_DEFINED
#endif

// time_t 的定義

#ifndef _TIME_T_DEFINED
typedef long time_t;

#define _TIME_T_DEFINED

#endif

   long 型數(shù)據(jù)的取值范圍是 -2147483648 ~ +2147483647 。所以， gettimeofday 函數(shù)取得的時(shí)間最大值為 2147483647 + 2147483647 / 1000000 = 2147485794.483647 s ，大約為 68.096 年； clock 函 數(shù)取得的時(shí)間最大值為 2147483647 / 1000000 = 2147.483647 s ，大約為 35.79 分 鐘；

time 函數(shù)取得的時(shí)間最大值為 2147483647 s ，大約為 68 年。

   這里只是介紹 Linux 平臺(tái)下 c 語(yǔ)言中計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間的方法， 它們各有利弊，依據(jù)自己的需要可以使用對(duì)應(yīng)的方法。在 Windows 平臺(tái)下還有其他計(jì)算程序運(yùn) 行時(shí)間的方法，在此不敘。

參考文獻(xiàn)

[1] “ linux time 命令詳解”， http://www.admin99.net/read.php/185.htm ；

[2] “ Linux 命令詳解—— time ”，

http://blog.csdn.net/thinkerABC/archive/2006/04/01/647272.aspx ；

[3] “測(cè)量程序運(yùn)行時(shí)間的幾種方法”， http://oss.lzu.edu.cn/blog/article.php?tid_905.html ；

[4] “如何精確測(cè)量程序運(yùn)行時(shí)間”， http://www.forwind.cn/2008/05/10/measure-time-preciely/ ；

[5] “ clock ”， http://blog.csdn.net/xxyakoo/archive/2008/12/17/3539590.aspx ；

[6] “ c 語(yǔ)言對(duì)時(shí)間的處理函數(shù)和計(jì)時(shí)的實(shí) 現(xiàn)”，

http://blog.csdn.net/adm_qxx/archive/2007/05/02/1594788.aspx 。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算程序运行时间（time_t, clock_t）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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