dotnet下时间测量（续）：进行纳秒级测量

还能不能得到更精确的时间呢？那就用汇编吧，通过rdtsc直接取时钟周期数。在Feng Yuan的《Windows图形编程》上找到获取时钟周期的函数，在网上搜索到获取本机CPU主频函数，凑在一起，得到如下代码：

 1  #include  < windows.h >
 2 
 3  extern   " C "
 4  {
 5      __declspec(dllexport) unsigned __int64 GetCycleCount( void )
 6      {
 7          _asm    _emit  0x0F ;
 8          _asm    _emit  0x31 ;
 9      }
10 
11      __declspec(dllexport)  int  GetFrequency( void )  // MHz
12      {
13          LARGE_INTEGER CurrTicks, TicksCount;
14          __int64 iStartCounter, iStopCounter;
15 
16          DWORD dwOldProcessP  =  GetPriorityClass(GetCurrentProcess());
17          DWORD dwOldThreadP  =  GetThreadPriority(GetCurrentThread());
18 
19          SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), REALTIME_PRIORITY_CLASS);
20          SetThreadPriority(GetCurrentThread(), THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL);
21 
22          QueryPerformanceFrequency( & TicksCount);
23          QueryPerformanceCounter( & CurrTicks);
24 
25          TicksCount.QuadPart  /=   16 ;
26          TicksCount.QuadPart  +=  CurrTicks.QuadPart;
27 
28          _asm rdtsc
29          _asm mov DWORD PTR iStartCounter, EAX
30          _asm mov DWORD PTR (iStartCounter + 4 ), EDX
31 
32           while (CurrTicks.QuadPart < TicksCount.QuadPart)
33              QueryPerformanceCounter( & CurrTicks);
34 
35          _asm rdtsc
36          _asm mov DWORD PTR iStopCounter, EAX
37          _asm mov DWORD PTR (iStopCounter  +   4 ), EDX
38 
39          SetThreadPriority(GetCurrentThread(), dwOldThreadP);
40          SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), dwOldProcessP);
41 
42           return  ( int )((iStopCounter - iStartCounter) / 62500 );
43      }
44  }

编译为TimeStamp.dll，通过DllImport调用，代码如下（为测试而作，实用得再加几个方法）：

1      public   sealed   class  TimeStamp
2      {
3        [DllImport("TimeStamp.dll")]
4        public static extern long GetCycleCount();
5
6        [DllImport("TimeStamp.dll")]
7        public static extern int GetFrequency();
8    }

先测试TimeStamp.GetCycleCount()的执行时间，也既两次GetCycleCount()运行的时间差。测试代码如下：

 1          static   void  TestAbsoluteError()
 2          {
 3            long start,end;
 4            int frequency = TimeStamp.GetFrequency();
 5
 6            using (StreamWriter sw = new StreamWriter("Results.txt")) 
 7            {
 8
 9                for(int i=0;i<1000;i++)
10                {
11                    start=TimeStamp.GetCycleCount();
12                    end=TimeStamp.GetCycleCount();
13                    sw.WriteLine("{0}",(double)(end-start)/frequency);
14                }
15            }
16        }

作统计图：



中间有几个10ms的突出点，这应该是测试程序被中断了。

为了避免被外界中断，把当前进程设置为实时进程，所得结果作图如下。



可以看出，i>50后，结果稳定在0.1646微秒。也就是说，必须至少运行100次TimeStamp.GetCycleCount()，然后每次TimeStamp.GetCycleCount()调用的时间才会降低到0.1646微秒，所得的测试结果才比较精确。为安全起见，建议每次测试之前运行至少500次TimeStamp.GetCycleCount()。

比较实时进程和非实时进程运行的前100次结果，得图：



可以看出，开始一次TimeStamp.GetCycleCount()调用运行耗时差不多都在2-3微秒，当i在50附近，非实时进程测试中这一值跳到3-4，然后迅速下降到0.164，实时进程跳到>25，然后下降到0.164。这应该和运行时优化有关。

为了得到更精确的时间，需要对测试结果进行修正，扣除一次TimeStamp.GetCycleCount()调用的时间。测量修正效果，代码如下：

 1
 2          static   void  TestRelativeError()
 3          {
 4            long start,end;
 5            int frequency = TimeStamp.GetFrequency();
 6            long check=0;
 7
 8            using (StreamWriter sw = new StreamWriter("Results.txt")) 
 9            {
10                for(int i=0;i<500;i++)
11                {
12                    TimeStamp.GetCycleCount();
13                }
14
15                for(int i=0;i<500;i++)
16                {
17                    start=TimeStamp.GetCycleCount();
18                    end=TimeStamp.GetCycleCount();
19                    check+=end-start;
20                }
21                check = check/500;
22
23                Console.WriteLine(check);
24
25                for(int i=0;i<10000;i++)
26                {
27                    start=TimeStamp.GetCycleCount();
28                    end=TimeStamp.GetCycleCount();
29                    sw.WriteLine("{0}",(double)(end-start-check)/frequency);
30                }
31            }
32        }

得到下图：



可以看出，大多数情况下，修正后时间测量误差是-0.0006微秒，也就是-0.6纳秒，一个时钟周期左右!!!!够精确了！！！！！！！！！考虑极少数异常现象，误差也在20纳秒之内，但这些异常点可以通过多次测试去除最高最低点排除在外。

总结：

通过调用rdtsc，并经过时间校正，可以得到纳米级的时间测量工具。

具体步骤如下：

（1）设置运行进程为实时进程；

（2）运行至少100次（最好500次）TimeStamp.GetCycleCount()热热身；

（3）运行500次左右TimeStamp.GetCycleCount()得到TimeStamp.GetCycleCount()调用平均周期数；

（4）进行时间测量，测量结果减去第（3）步中的调用时间

（5）重复第4步n次（n>5)既可，去掉一个最高的，去掉一个最低的，剩下的取平均值，这样测量误差应该小于1纳秒。