前端Tips#4 - 用 process.hrtime 获取纳秒级的计时精度

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如果去测试代码运行的时长，你会选择哪个时间函数？ 一般第一时间想到的函数是 Date.now 或 Date.getTime。

1、先讲结论

在 Node.js 程序中，优先选 process.hrtime，其次选 performance.now，最后才会是 Date.now

之所以这么选，是基于 精度 和 时钟同步 两方面考虑的。

2、知识讲解

首先看一下 Date.now 的缺点

1. 返回的时间精度为 毫秒（10^-3）级别，精度不够；
2. 受到系统时间影响，也有可能被其他软件调整所影响

为了获得更高精度、且和系统时间无关的时间，W3C 制定了 High Resolution Time Level 2 标准，其中的 6. Monotonic Clock 章节就规定了标准实现方需要提供 “单调递增” 的全局系统时钟：

在 Node.js 和 浏览器中都实现了该标准，具体的实现就是 performance 对象。我们可以通过 performance.now 获取相对起点的时间戳，具备以下几个特性：

1. 和 JS 中其他可用的时间类函数（比如 Date.now ）不同的是，performance.now() 返回的时间使用了一个浮点数来达到 微秒（10^-6） 级别的精确度
2. 时间以一个 恒定的速率 慢慢 增加 的，它不会受到系统时间的影响（不会被其他软件所调整）
3. 从标准定义看，可以存在 clock drift （允许时钟漂移）

这里大致说一下 clock drift 的概念，它是源于 时钟同步 概念。时钟同步（Clock synchronization）是计算机科学与工程学中的一个概念，旨在协调多个独立的时钟。现实中的多个时钟，即使时间已调至一致，但在一段时间后依然会因为时钟漂移（即clock drift）而显示不同的时间，因为它们计时的速率会略有差异。

是否有更精细的时钟存在呢？

有的，在 Node.js 环境中就提供了 process.hrtime 方法：

1. 在 node v0.7.6 版本中新增，兼容性很好（毕竟现在都 v12 LTS 版本了）
2. 精度高达 纳秒（10^-9） 级别
3. 不存在 时钟漂移 (clock drift)

可以说 process.hrtime 方法是 专为测量时间间隔而打造 的。

注：浏览器环境没有这个 hrtime 方法，因此浏览器环境所能达到的最高精度也就用 performance.now 的微秒级别（当然各个浏览器实现也是有差异）

只不过这个方法使用需要注意一下，首次调用返回的 time 需要作为后面调用的入参：

const NS_PER_SEC = 1e9;
const time = process.hrtime(); // 这里第一次调用，返回 time 变量
// [ 1800216, 25 ]

setTimeout(() => {
  const diff = process.hrtime(time); // 用第一次返回的 time 变量作为入参放在第二次调用中，从而获取 diff 时间差值
  // [ 1, 552 ]

  console.log(`Benchmark took ${diff[0] * NS_PER_SEC   diff[1]} nanoseconds`);
  // Benchmark took 1000000552 nanoseconds
}, 1000);

到这里本节主要内容讲完了，也就自然而然获得本节刚开始的结论。

3、小知识

如果你使用 Node.js V10.7.0 以上的版本，还可以使用 hrtime.bigint 方法，它是 process.hrtime 的 bigint 版本（bigint 类型从 v10.4 开始支持），返回当前的高精度实际时间。

这方法使用起来比 process.hrtime 更加方便，因为它不用额外的 time 入参，直接通过两次调用结果相减就能获得计算时间差：

const start = process.hrtime.bigint();
// 191051479007711n

setTimeout(() => {
  const end = process.hrtime.bigint();
  // 191052633396993n

  console.log(`基准测试耗时 ${end - start} 纳秒`);
  // 基准测试耗时 1154389282 纳秒
}, 1000);

4、参考文章

• High Resolution Time Level 2：w3c 中高精度时间的标准
• MDN - Performance.now：MDN 上 performance.now 的 API 文档
• Creating a timestamp：言简意赅的总结，本文的选材最初就是来源于此
• 如何理解 clock drift 和 clock skew 这两个概念呢？：知乎上对这两个概念的回答
• Measure process time with Node Js?：SOF 上对该问题的解答，也是用 process.hrtime 进行高精度时间测量
• 如何在Node.js中获得微时间？：可以看一下这个问题
• 初探 performance – 监控网页与程序性能：window.performance 提供了一组精确的数据，经过简单的计算就能得出一些网页性能数据
• 页面性能监测之performance：详细介绍如何利用 performance 对象来评测页面性能

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