代码开源（7）——测试程序执行时间

　   本文介绍两种测试程序时间的方法，一种是通过间隔计数，另一种通过周期计数器。针对这两种方法，分别给出Windows和 UNIX 下的实现。

       首先介绍这两种方法的含义，摘自《深入理解计算机系统》。间隔计数：操作系统维护者每个进程使用的用户时间量和系统时间量的计数值，当计时器中断发生时，操作系统会确定哪个进程是活动的，并且对那个进程的一个计数值增加计时器间隔时间。如果系统是在内核模式中执行的，那么就增加系统时间，否则增加用户时间。这种方法一般使用clock函数实现；周期计数器：处理器内部包含一个运行在时钟周期级的计数器，每个时钟周期它都会家1。可以利用特殊的机器指令来读这个计数器的值。如果要测试一段代码的时间，只需在代码段前后分别获取计数器的值，然后将这两个计数器的值相减，除以处理器频率，就可以得到这段代码的运行时间。

       当然了，这里给出的方法适用于负载轻的系统，要在负载很重的系统获得准确的计时本身就特别困难。另外程序的运行时间受到上下文切换、高速缓存、分支预测等的影响，所以本文介绍的测试方法及实现仅仅是一种参考，尚需完善。

      下面给出Windows中的实现，一共有三个版本，都用C++实现并进行了封装。第一、二种都是属于周期计数器法，第三种是间隔计数法。三个版本的使用方式一样，除了版本二需要设置处理器频率。如下所示：

Runtime rt;
//rt.SetHZ(2327500000.0); //版本二需设置处理器频率,我电脑的CPU频率是2.33GHz
rt.Begin();      //代码段执行前
P();             //要测试的代码段
rt.End();        //代码段执行后
rt.GetRuntime(); //获得运行时间

     版本一，利用Windows提供的API函数实现。这种方法的精度非常高。属于周期计数器法。

#include <windows.h>
class Runtime
{
private:
	LARGE_INTEGER m_begin;     
	LARGE_INTEGER m_end; 
public:
	inline void Begin() { QueryPerformanceCounter(&m_begin); }
	inline void End() { QueryPerformanceCounter(&m_end); }
	inline double GetRuntime()
	{
		LARGE_INTEGER frequency;     
		QueryPerformanceFrequency(&frequency); //获得机器内部计时器的时钟频率
		return (double)(m_end.QuadPart - m_begin.QuadPart)/frequency.QuadPart;
	}
};

     版本二，直接用汇编代码实现，利用的是IA32的周期计数器。因此局限于IA32架构。属于周期计数器法。

#include <ctime>
using namespace std;

class Runtime
{
private:
	unsigned m_hi, m_lo;
	unsigned m_nhi, m_nlo;
	double m_hz;
public:
	inline void SetHZ(double hz) { m_hz = hz; }
	inline void Begin() 
	{ 
		unsigned hi, lo;
		__asm{ 
			rdtsc; 
			mov hi,edx;
			mov lo,eax 
		}; 
		m_hi = hi;
		m_lo = lo;
	}
	inline void End() 
	{ 
		unsigned hi, lo;
		__asm{ 
			rdtsc; 
			mov hi,edx; 
			mov lo,eax 
		}; 
		m_nhi = hi;
		m_nlo = lo;
	}
	inline double GetRuntime() 
	{
		unsigned hi, lo, borrow;
		lo = m_nlo - m_lo;           //低位差
		borrow = lo > m_nlo;         //需向高位借位
		hi = m_nhi - m_hi - borrow;  //高位差
		return (hi * (1 << 30) * 4 + lo)/m_hz;
	}
};

     版本三，利用ANSI C定义的clock函数实现，测量程序总的运行时间。注意一点clock函数返回的是时钟滴答，为了表示成秒数需除以CLOCK_PER_SEC。

#include <ctime>
using namespace std;

class Runtime
{
private:
	clock_t m_begin;     
	clock_t m_end; 
public:
	inline void Begin() { m_begin = clock(); }
	inline void End() { m_end = clock(); }
	inline double GetRuntime() { return (m_end - m_begin)/ (double)CLOCKS_PER_SEC; }
};

      给完Windows的实现，接着来介绍UNIX下的实现。第一种为周期计数器法，第二种为间隔计数法，第三种利用gettimeofday函数实现。三个版本的使用方式一样，除了版本1需定义处理器频率。如下所示：

	begin_time();
	P(); 
	end_time();
	get_runtime();

     版本一，直接用汇编代码实现，利用的是IA32的周期计数器。因此局限于IA32架构。属于周期计数器法。

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

#define CPUHZ 2327500000.0   //处理器频率
unsigned cyc_hi = 0, cyc_lo = 0;
unsigned ncyc_hi = 0, ncyc_lo = 0;

void access_counter(unsigned *hi, unsigned *lo)
{
	asm("rdtsc; movl %%edx,%0; movl %%eax,%1"
			: "=r" (*hi), "=r" (*lo)
		    :
			: "%edx", "%eax");
}
void begin_time() { access_counter(&cyc_hi, &cyc_lo); }
void end_time() { access_counter(&ncyc_hi, &ncyc_lo); }
double get_runtime()
{
	unsigned hi, lo, borrow;
	lo = ncyc_lo - cyc_lo;
	borrow = lo > ncyc_lo;
	hi = ncyc_hi - cyc_hi - borrow;
	return ((double)hi * (1 << 30) * 4 + lo)/ CPUHZ;
}

     版本二，利用ANSI C定义的clock函数实现，测量程序总的运行时间。

#include <time.h>
clock_t begin, end;
void begin_time() { begin = clock(); }
void end_time() { end = clock(); }
double get_runtime() { return (end - begin)/ (double)CLOCKS_PER_SEC; }

     版本三，利用gettimeofday函数实现，弥补了IA32周期计数器只能在IA32 系统上工作的缺陷。

#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
struct timeval begin;
struct timeval end;

void begin_time() { gettimeofday(&begin, NULL); }
void end_time() { gettimeofday(&end, NULL); }
double get_runtime()
{
	long sec, usec;
	sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;
	usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;
	return (double)sec + 1e-6 * usec;
}