詳解如何在C/C++中測量一個函數(shù)或功能的運行時間

更新時間：2023年12月03日 09:31:34 作者：zhonguncle

本文算是一個比較完整的關(guān)于在 C/C++ 中測量一個函數(shù)或者功能的總結(jié),最后會演示三種方法的對比,文章通過代碼示例給大家介紹的非常詳細,需要的朋友可以參考下

最常用的clock()

最常用的測量方法是使用clock()來記錄兩個 CPU 時間點clock_t，然后做差。這個方法的好處在于非常簡單易寫，如下（第一行是為說明需要導入哪個庫）：

#include <time.h>
.....

	clock_t begin = clock();

    ...需要被測量的代碼
    
    clock_t end = clock();
    int duration = (end - begin)/CLOCKS_PER_SEC;

需要注意 3 點：

CLOCKS_PER_SEC在 macOS 上是 1000000，也就是說(end - begin)的單位是微秒，所以要除以CLOCKS_PER_SEC。
不同平臺的clock_t類型是不一樣的，有些平臺是整數(shù)型，有些是使用浮點型。如果是浮點型的話，CLOCKS_PER_SEC或許可以不用寫，還是要看time.h的相關(guān)內(nèi)容。
這個方法中的“clock”一詞表示的是時鐘頻率，而不是時間。早期的計算機是固定頻率的（現(xiàn)在的一些計算器或者單片機其實也是固定頻率的），這個方法就是誕生于那個時間的。

這種方法最大的弊端就是它測量是 CPU 運行時間，準確的說是該進程使用 CPU 的時間。這就導致了對于非 CPU 密集型程序來說，這個結(jié)果可能不是那么精確。當然導致的最大的問題是并行計算程序得到的時間完全不對，而且不能簡單地使用核心數(shù)計算得到正確的時間。

因為這個方法是將多個 CPU 的運行時間加在一起了，串行計算的程序完全沒有問題，但是并行計算的話，CPU 使用率一般不會達到或接近核心數(shù)*100%，因為計算機上還有其他任務也需要 CPU。比如說如果串行計算的程序使用率一般在 99% 左右，獲取時間為 30 秒，但是對于 6 核的設(shè)備上運行的并行計算程序的話，CPU 使用率達到 570% 就很不錯了，獲取的時間可能為 27 秒，而實際上只用了 5 秒。

這是我在使用 ISPC 編寫并行計算程序的時候發(fā)現(xiàn)的，所以我想尋找到新的方案，于是我發(fā)現(xiàn)了下一個方法。

timespec

timespec是一個簡單的日歷時間或者時間流逝。通過使用日歷時間可以解決上一節(jié)中無法測量并行程序的實際運行時間的問題。但是“簡單”這點的表現(xiàn)為整數(shù)時間，也就是說最小的時間精度是秒，而不是上一種方法中的微秒，不過這對于復雜函數(shù)或程序的測試來說沒啥問題，畢竟 30 分鐘和 31 分鐘的性能差距不過 3.22%。

方法如下（第一行是為說明需要導入哪個庫）：

#include <time.h>
	time_t begin = time(NULL);
	
	...需要被測量的代碼
    
    time_t end = time(NULL);
    int duration = (end - begin);

可以看到比上一種還要簡單。

但是對于一些小型的測試來說，這個方法又不太行，因為整數(shù)帶來的誤差太大了，比如說 0.6 秒是 1.8 秒性能的三倍，但是在整數(shù)上只為 2 倍甚至是 1 倍（為什么有這個“甚至”等會演示可以看到），所以還是需要一個更精確時間測量方法，這個方法不光要適應并行計算，還要有一定的精度。

clock_gettime()

clock_gettime()可以完美的符合要求，但是使用上有點復雜。

clock_gettime()是我從文檔的下面發(fā)現(xiàn)的。一開始我找到的是gettimeofday()，然后我去看了一下 IEEE 標準的文檔gettimeofday (opengroup.org)，發(fā)現(xiàn)在“FUTURE DIRECTIONS（未來方向）”這一欄表示gettimeofday()可能未來會被廢棄；在“APPLICATION USAGE（應用使用）”這一欄表示應用應該使用clock_gettime()而不是gettimeofday。這必須得使用clock_gettime()了。

clock_gettime()的復雜之處在于太精確了。先來看看使用方法（第一行是為說明需要導入哪個庫）：

#include <time.h>
	struct timespec start;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &start);
	
	...需要被測量的代碼
    
    struct timespec end;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &end);
    
	double duration = (double)(end.tv_nsec-start.tv_nsec)/((double) 1e9) + (double)(end.tv_sec-start.tv_sec);

clock_gettime()的參數(shù)CLOCK_REALTIME表示系統(tǒng)層面的實時時間；這個地方還可以用CLOCK_MONOTONIC，這個值是從系統(tǒng)啟動開始一直運行的，一直連續(xù)的不跳躍的（除非手動改了），這個要比CLOCK_REALTIME精度小一些，所以更快一些。

可以看到計算運行時間的代碼，也就是時間差的表達式長了很多，是因為clock_gettime()獲取的時間分為兩部分：秒和納秒（在某論壇上有人指出在曾經(jīng)的 Mac OS X 上這里是微秒，不確定，不過現(xiàn)在也是納秒了）。秒是int很簡單的，但是納秒用的是long int，這就涉及到轉(zhuǎn)換的問題了。所以就需要分別計算兩個部分，轉(zhuǎn)換合成。