随手记——在Linux下如何测试代码执行时间

Posted 2021-08-29 穿越临界点

在学习资料满天飞的大环境下，知识变得非常零散，体系化的知识并不多，这就导致很多人每天都努力学习到感动自己，最终却收效甚微，甚至放弃学习。我的使命就是过滤掉大量的无效信息，将知识体系化，以短平快的方式直达问题本质，把大家从大海捞针的痛苦中解脱出来。

文章目录

• • 1 什么情况下需要测试代码执行时间
  • 2 RDTSC方式
  • 3 clock_gettime方式

1 什么情况下需要测试代码执行时间

一般情况下我们写完代码之后是不会去测试它的执行时间的。除非，你的代码运行有实时性要求；或者，你是一个追求代码执行效率的程序员。

下面，主要介绍两种精度较高的方式——RDTSC方式和clock_gettime()方式。

虽然使用jiffies和gettimeofday()方式也可以达到测试代码执行时间的目的，但是精度比较低，这里就不介绍了。

2 RDTSC方式

RDTSC是read time stamp counter的缩写。CPU开始工作之后，该值就开始累加，存储在时间戳寄存器中，单位是CPU时钟cycle数目。

如果想通过TSC获取CPU工作之后流逝的时间，还需要获取一个常量——CPU时钟频率（Freq）。

# 获取指定CPU（cpu?)核当前的时钟频率
cat /sys/devices/system/cpu/cpu?/cpufreq/cpuinfo_cur_freq

然后根据以下公式即可获取CPU工作之后流逝的时间（Time）。

$$\mathbf{T}\mathbf{i}\mathbf{m}\mathbf{e}=\frac{TSC}{Freq}(s)$$
虽然公式中单位是秒，但是现在处理器的主频一般都非常高，所以时间统计的精度可以到达纳秒级别。

下面，给出一个比较简单的例子。

#include <stdio.h>

#define uint32_t unsigned int
#define uint64_t unsigned long long

#define CPU_FREQUENCE_HZ        (1319534 * 1000.0) /*CPU时钟频率*/
//ReaD Time-Stamp Counter
/* 使用inline函数，减少函数调用开销 */
static inline __attribute__((always_inline)) uint64_t get_rdtsc(void) 
{
         union {
                   unsigned long long tsc_64;
                   struct {
                            uint32_t lo_32;
                            uint32_t hi_32;
                   };
         } tsc;
    	/* C语言中嵌入汇编指令；rdtsc为读取TSC的指令，x86和ARM均支持该指令 */
         __asm__ __volatile__("rdtsc" :
                        "=a" (tsc.lo_32),
                        "=d" (tsc.hi_32));
#if 0
    	/*rdtscp指令为rdtsc替代指令（保序指令，可以防止CPU乱序执行）*/
         __asm__ __volatile__("rdtscp" : 
                        "=a" (tsc.lo_32),
                        "=d" (tsc.hi_32));
#endif    
         return tsc.tsc_64;
}

int main(void)
{
        uint64_t c1 = 0;
        uint64_t c2 = 0;
        float deltatime_ns = 0.0;
        int i = 0;

        /*test code*/
        c1 = get_rdtsc();
        for (i = 0; i < 1000; i++);
        c2 = get_rdtsc();
    	/* 计算代码耗时 */
        deltatime_ns = (c2 - c1) / CPU_FREQUENCE_HZ * 1000 * 1000 * 1000; 

        printf("c2 = %lld , c1 = %lld .\\n", c2, c1);
        printf("Delta cycle is %lld .\\n", c2-c1);
        printf("Delta time is %f ns.\\n", deltatime_ns);

        return 0;
}

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3 clock_gettime方式

RDTSC的方式比较简单直接，下面介绍一种功能更强大的接口——clock_gettime()。

原型如下：

int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

struct timespec {
    time_t   tv_sec;        /* seconds */
    long     tv_nsec;       /* nanoseconds */
};

其中，clk_id的取值和含义如下表：

clk_id	含义
CLOCK_REALTIME	真实时间（墙上时间，自1970年1月1日0时0分0秒）
CLOCK_REALTIME_COARSE	CLOCK_REALTIME的高性能低精度版本
CLOCK_MONOTONIC	从系统启动开始计时的时间（注意不计算休眠时间）
CLOCK_MONOTONIC_COARSE	CLOCK_MONOTONIC的高性能低精度版本
CLOCK_MONOTONIC_RAW	CLOCK_MONOTONIC的未加工数据。基于原始硬件数据，不受adjtime(3) 和 NTP的影响。
CLOCK_BOOTTIME	设备启动后的时间（计算休眠时间）
CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID	本进程执行到当前代码时CPU花费的时间
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID	本线程执行到当前代码时CPU花费的时间

下面给出一个示例：

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

#define uint32_t unsigned int
#define uint64_t unsigned long long

int main(void)
{
        float deltatime_ns = 0.0;
        int i = 0;
        struct timespec t1, t2;

        /*test code*/
        clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t1);
        for (i = 0; i < 1000; i++);
        clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &t2);
        deltatime_ns = t2.tv_nsec - t1.tv_nsec;

        printf("Delta time is %f ns.\\n", deltatime_ns);

        return 0;
}

这个例子比较简单，就不多说了。

至于应该选取哪种方式来进行代码执行时间的测量，我觉得你可以都试试，哈哈。。。

如果是简单场景，个人推荐第一种就可以了~~

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