Java中的时间测量开销

Posted 2023-03-23

【中文标题】Java中的时间测量开销

【英文标题】：Time measuring overhead in Java

【发布时间】：2011-08-04 04:01:34

【问题描述】：

在低级别测量经过时间时，我可以选择使用以下任何一种：

System.currentTimeMillis();
System.nanoTime();

这两种方法都实现了native。在深入研究任何 C 代码之前，是否有人知道调用其中一个或另一个是否有任何实质性开销？我的意思是，如果我真的不关心额外的精度，哪一个会占用更少的 CPU 时间？

注意：我使用的是标准 Java 1.6 JDK，但这个问题可能对任何 JRE 都有效...

【问题讨论】：

请注意，nanoTime 不会实时映射，只能用于衡量某件事花费了多长时间。

@R.Bemrose，谢谢，我知道。这真的是为了衡量某件事需要多长时间。

【参考方案1】：

此页面上标记为正确的答案实际上是不正确的。由于 JVM 死代码消除 (DCE)、堆栈上替换 (OSR)、循环展开等原因，这不是编写基准测试的有效方法。只有像 Oracle 的 JMH 微基准测试框架这样的框架才能正确测量类似的东西。如果您对此类微基准测试的有效性有任何疑问，请阅读this post。

这是 System.currentTimeMillis() 与 System.nanoTime() 的 JMH 基准测试：

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class NanoBench 
   @Benchmark
   public long currentTimeMillis() 
      return System.currentTimeMillis();
   

   @Benchmark
   public long nanoTime() 
    return System.nanoTime();
   

以下是结果（在 Intel Core i5 上）：

Benchmark                            Mode  Samples      Mean   Mean err    Units
c.z.h.b.NanoBench.currentTimeMillis  avgt       16   122.976      1.748    ns/op
c.z.h.b.NanoBench.nanoTime           avgt       16   117.948      3.075    ns/op

这表明System.nanoTime() 在每次调用约 118ns 时比约 123ns 略快。然而，同样清楚的是，一旦将平均误差考虑在内，两者之间的差异非常小。结果也可能因操作系统而异。但总体来说应该是它们在开销方面基本上是相等的。

更新 2015/08/25：虽然这个答案更接近于纠正大多数，但使用 JMH 来衡量，它仍然不正确。测量像System.nanoTime() 这样的东西本身就是一种特殊的扭曲基准测试。答案和权威文章是here。

【讨论】：

JMH 的精彩使用！我希望这个网站上的更多微基准能够利用它。

我想试试你的例子，想知道为什么@GenerateMicroBenchmark 注释不起作用。它似乎最近或多或少地重命名为@Benchmark。

【参考方案2】：

我认为您无需担心两者的开销。它是如此之小，以至于它本身几乎无法测量。以下是两者的快速微基准：

for (int j = 0; j < 5; j++) 
    long time = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) 
        long x = System.currentTimeMillis();
    
    System.out.println((System.nanoTime() - time) + "ns per million");

    time = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) 
        long x = System.nanoTime();
    
    System.out.println((System.nanoTime() - time) + "ns per million");

    System.out.println();

最后的结果：

14297079ns per million
29206842ns per million

似乎System.currentTimeMillis() 的速度是System.nanoTime() 的两倍。然而 29ns 将比你无论如何测量的任何东西都要短得多。我会选择 System.nanoTime() 以获得精确度和准确性，因为它与时钟无关。

【讨论】：

不错的基准测试。在我的电脑上，它是相反的。我得到这个输出：每百万 17258920ns，每百万 14974586ns。这意味着它实际上取决于 JVM、处理器、操作系统等。除此之外，差异几乎无关紧要。谢谢你的好答案！

没问题。是的，我敢肯定有各种各样的因素会导致它发生变化。无论哪种方式，您都必须在现代机器上每秒调用数百万次才能导致明显的计时开销。

底层操作系统会很有趣。我怀疑如果实现使用 POSIX 的 clock_gettime()，则差异将是 ~0。

是的。但是您的外部循环似乎表明结果在同一系统上有些一致。除了可能有一些 JVM 开销的第一次迭代之外，所有迭代都会产生大致相同的值......所以选择 nanoTime() 并获得一点额外的精度是安全的。

不使用变量 X，因此可以优化获取时间的系统调用。在稍后的状态下，可以看到循环内没有完成任何工作，它们也可以被优化掉。留下很少的东西来衡量。微基准和 JIT 的危险。

【参考方案3】：

您应该只使用System.nanoTime() 来衡量运行某项所需的时间。这不仅仅是纳秒精度的问题，System.currentTimeMillis() 是“挂钟时间”，而System.nanoTime() 用于计时，没有其他“真实世界时间”的怪癖。来自System.nanoTime()的Javadoc：

此方法只能用于测量经过的时间，与系统或挂钟时间的任何其他概念无关。

【讨论】：

是的，我知道 Javadoc 提到了这一点。但是，如果您多次测量 1-10 毫秒之间的事物，两者都可以等效使用。您所说的“现实世界时间怪癖”是什么意思？

@Lukas：问题是System.currentTimeMillis() 可以（我相信）做一些事情，比如插入小的时钟调整，这会导致计时。可能很少见，但nanoTime() 用于不应受此类事情影响的测量。

@Lukas：实际上，它基本上只是反映了您的计算机显示的系统时间。在使用currentTimeMillis() 的时间期间将计算机上的日期更改为一周前，您将得到一个不错的负数！ =) nanoTime() 不是这样。

这不会发生，但很好的想法:-)

您需要担心的不仅仅是手动更改时间。还有夏令时，以及在与互联网上的服务器核对后自动调整的时钟。

【参考方案4】：

System.currentTimeMillis() 通常非常快（afaik 5-6 cpu 周期，但我不知道我在哪里读过这个），但它的分辨率在不同的平台上有所不同。

因此，如果您需要高精度，请选择nanoTime()，如果您担心开销，请选择currentTimeMillis()。

【讨论】：

好点。查看 WhiteFang34 的答案。它们似乎同样快，具体取决于用于对其进行基准测试的系统。

【参考方案5】：

如果你有时间，请看this talk by Cliff Click，他谈到了System.currentTimeMillis 的价格以及其他事情。

【参考方案6】：

这个问题的公认答案确实不正确。 @brettw 提供的替代答案很好，但细节仍然很简单。

有关此主题的完整处理和这些电话的实际费用，请参阅https://shipilev.net/blog/2014/nanotrusting-nanotime/

回答问题：

有谁知道调用一个或另一个是否有任何重大开销？

调用System#nanoTime 的开销在每次调用15 到30 纳秒之间。 nanoTime 报告的值，其分辨率，每 30 纳秒仅更改一次

这意味着取决于您是否尝试每秒处理数百万个请求，调用 nanoTime 意味着您实际上会丢失第二次调用 nanoTime 的很大一部分。对于此类用例，请考虑测量来自客户端的请求，从而确保您不会陷入coordinated omission，测量队列深度也是一个很好的指标。

如果您不想在一秒钟内完成尽可能多的工作，那么nanoTime 就无关紧要，但协调的遗漏仍然是一个因素。

最后，为了完整起见，currentTimeMillis 不管它的成本是多少都不能使用。这是因为不能保证在两个呼叫之间前进。尤其是在带有 NTP 的服务器上，currentTimeMillis 会不断移动。更不用说计算机测量的大多数东西都不需要整整一毫秒。

【讨论】：

感谢您的反馈。与此同时，我还偶然发现了 Aleksey Shipilëv 的那篇文章。您是否介意本着 Stack Overflow 的精神将那篇文章的精髓作为对我具体 Stack Overflow 问题的回答（即有一个完整的答案，可能直接在 Stack Overflow 上的链接中得到更多详细信息的支持）？那我接受你的回答。

我这样做不是为了得到一个被接受的答案。最终的问题是，公认的答案是把人们引向错误的方向，这是不幸的。

自你问起就更新了，但同时，我总是觉得 *** 像这样的答案很短，因为它们总是给解释留下太多空间

【参考方案7】：

在理论上，对于使用本机线程并位于现代抢占式操作系统上的 VM，currentTimeMillis 可以实现为每个时间片仅读取一次。据推测，nanoTime 实现不会牺牲精度。

【讨论】：

这是关于精度的一个好点。如果你是对的，那么currentTimeMillis() 再精确不过了。或者因为它不需要精确，所以可以这样实现。但另一方面，这并没有说明哪个更快......

【参考方案8】：

currentTimeMillis() 的唯一问题是，当您的 VM 调整时间时（这通常会自动发生）currentTimeMillis() 会随之而来，从而产生不准确的结果，尤其是对于基准测试。