Linux下高精度的时间测量

转自 http://hi.baidu.com/ybzzzzz/blog/item/2bf442181f6e8db24bedbc6d.html

想在Linux下实现高精度的时间测量，需要用到gettimeofday这个函数，它提供了微妙级的时间精度，函数定义如下：

	gettimeofday（取得目前的时间）
相关函数	time，ctime，ftime，settimeofday
表头文件	#include <sys/time.h> #include <unistd.h>
定义函数	int gettimeofday ( struct timeval * tv , struct timezone * tz )
函数说明	gettimeofday()会把目前的时间有tv所指的结构返回，当地时区的信息则放到tz所指的结构中。 timeval结构定义为: struct timeval{ long tv_sec; /*秒*/ long tv_usec; /*微秒*/ }; timezone 结构定义为: struct timezone{ int tz_minuteswest; /*和Greenwich 时间差了多少分钟*/ int tz_dsttime; /*日光节约时间的状态*/ }; 上述两个结构都定义在/usr/include/sys/time.h。tz_dsttime 所代表的状态如下 DST_NONE /*不使用*/ DST_USA /*美国*/ DST_AUST /*澳洲*/ DST_WET /*西欧*/ DST_MET /*中欧*/ DST_EET /*东欧*/ DST_CAN /*加拿大*/ DST_GB /*大不列颠*/ DST_RUM /*罗马尼亚*/ DST_TUR /*土耳其*/ DST_AUSTALT /*澳洲（1986年以后）*/
返回值	成功则返回0，失败返回－1，错误代码存于errno。附加说明EFAULT指针tv和tz所指的内存空间超出存取权限。
范例	#include<sys/time.h> #include<unistd.h> main(){ struct timeval tv; struct timezone tz; gettimeofday (&tv , &tz); printf(“tv_sec; %d/n”, tv,.tv_sec) ; printf(“tv_usec; %d/n”,tv.tv_usec); printf(“tz_minuteswest; %d/n”, tz.tz_minuteswest); printf(“tz_dsttime, %d/n”,tz.tz_dsttime); }
执行	tv_sec: 974857339 tv_usec:136996 tz_minuteswest:-540 tz_dsttime:0

 

gettimeofday的实现机制在不同系统上是不一样的，而且虽然变量名叫usec，其实没这么精确。具体的精确程度，是和系统相关的。比如在Linux下，是用周期计数来实现的，所以和周期计数的精确度差不多，但是在Windows NT下，是使用间隔计数实现的，精确度就很低了。

关于间隔计数和周期计数的实现机制摘抄如下：

一：间隔计数

我们都知道，Linux下有一个命令是专门提供一个进程的运行时间的，也就是time。time可以测量特定进程执行时所需消耗的时间及系统资源等，这个时间还可以分内核时间和用户态时间两部分呈现给你。它是怎么做到的呢？其实很简单，操作系统本身就是用计时器来记录每个进程使用的累计时间，原理很简单，计时器中断发生时，操作系统会在当前进程列表中寻找哪个进程是活动的，一旦发现，哟，进程A跑得正欢，立马就给进程A的计数值增加计时器的时间间隔（这也是引起较大误差的原因，想想）。当然不是统一增加的，还要确定这个进程是在用户空间活动还是在内核空间活动，如果是用户模式，就增加用户时间，如果是内核模式，就增加系统时间。

原理很简单吧？但是相信一点，越简单的东西，是不会越精确的，人品守恒，能量守恒，难度也当然会守恒了啊。下面就简单分析一下，为啥这玩意精度不高吧。举个例子，如果我们有一个系统，计时器间隔为10ms，系统里面跑了一个进程，然后我们用这种方法分析时间，测出70ms，想一想，实际会有几种结果？具体点，我们用这种方法对进程计时，在某个计时器中断时，系统发现，咦，有一个进程开始跑了，好，给进程的计数值加上10ms。但是实际上呢，这个进程可能是一开始就跑起来了，也肯能是在中断的前1ms才开始跑的。不管是什么原因，总之中断时候它在跑，所以就得加10ms。当中断发生时发现进程切换了，同理，可能是上一个中断之后1ms进程就切换了，也可能人家刚刚才切换。

所以呢，如果一个进程的运行时间很短，短到和系统的计时器间隔一个数量级，用这种方法测出来的结果必然是不够准确的，头尾都有误差。不过如果程序的时间足够长，这种误差有时能够相互弥补，一些被高估一些被低估，平均下来刚好，呵呵。从理论上，我们很难分析这个误差的值，所以一般只有程序到达秒的数量级时，用这种方式测试程序时间才有意义。

说了半天，难道这方法没优点了？不，这个世界没有纯善，也没有纯恶。这方法最大的优点是，它的准确性不是非常依赖于系统负载。那什么方法依赖于系统负载呢？接下来我们会讲到：）

理论陈述结束，我想应该开始关注实现方法了吧。其实超级简单，两种方法：

1.    直接调用time命令（一堆鸡蛋）

2.    使用tms结构体和times函数

说说正经点的第二个方法吧。在Linux中，提供了一个times函数，原型是

clock_t times( struct tms *buf )

这个tms的结构体为

struct tms
{
    clock_t tms_utime;       // user time
    clock_t tms_stime;       // system time
    clock_t tms_cutime;     // user time of reaped children
    clock_t tms_cstime;     // system time of reaped children
}

怎么使用就不用这里教了吧？不过要说明一下的是，这里的cutime和cstime，都是对已经终止并回收的时间的累计，也就是说，times不能监视任何正在进行中的子进程所使用的时间。

二：周期计数

刚才谈了半天间隔计数的不足之处，哪有不足，那就有弥补的方法，特别实在万能的Linux中:) 为了给计时测量提供更高的准确度，很多处理器还包含一个运行在时钟周期级别的计时器，它是一个特殊的寄存器，每个时钟周期它都会自动加1。这个周期计数器呢，是一个64位无符号数，直观理解，就是如果你的处理器是1GHz的，那么需要570年，它才会从2的64次方绕回到0，所以你大可不必考虑“万一溢出怎么办”此类问题。

看到这里，也许你会想，哇塞，很好很强大嘛，时钟周期，这都精确到小数点后面多少位来着了？这下无论是多快的用时多短的程序，我们也都能进行时间测量了。Ohyeah。等等，刚才我们说过什么来着？守恒定律啊！功能强大的东西，其他方面必有限制嘛。看到上面的介绍，聪明的你一定能猜出来这种方法的限制是什么了，那就是，hardware dependent。首先，并不是每种处理器都有这样的寄存器的，其次，即使大多数都有，实现机制也不一样，因此，我们无法用统一的，与平台无关的接口来使用它们。怎么办？这下，就要祭出上古传说中的神器：汇编了。当然，我们在这里实际用的是C语言的嵌入汇编：

void counter( unsigned *hi, unsigned *lo )
{
asm("rdtsc; movl %%edx,%0; movl %%eax, %1"
        : "=r" (*hi), "=r" (*lo)
        :
        : "%edx", "%eax");
}

第一行的指令负责读取周期计数器，后面的指令表示将其转移到指定地点或寄存器。这样，我们将这段代码封装到函数中，就可以在需要测量的代码前后均加上这个函数即可。最后得到的hi和lo值都是两个，除了相减得到间隔值外，还要进行一些处理，在此先按下不表。

不得不提出的是，周期计数方式还有一个问题，就是我们得到了两次调用counter之间总的周期数，但我们不知道是哪个进程使用了这些周期，或者说处理器是在内核还是在用户模式中。还记得刚才我们讲间隔计数方式么？这玩意的好处就是它是操作系统控制给进程计时的，我们可以知道具体哪个进程，哪个模式。但是周期计数只测量经过的时间，他不管你是哪个进程使用的。所以，用周期计数的话，我们必须很小心。举个例子

double time()
{
     start_counter();
     p();
     get_counter();
}

这样一段程序，如果机器的负载很重，会导致P运行时间很长，而其实P函数本身是不需要运行这么长时间的，而是上下文切换等过程将它的时间拖长了。

而且，转移预测（想一想，如果转移方向和目的预测错误）和高速缓存的命中率，对这个计数值也会有影响。通常情况下，为了减少高速缓存不命中给我们程序执行时间带来的影响，可以执行这样的代码：

double time_warm( void )
{
     p();
     start_counter();
     p();
     get_counter();
}

原因不用我再解释了吧？它让指令高速缓存和数据高速缓存都得到了warm-up。

好，接下来又有问题。如果我们的应用，是属于那种每次执行都希望访问新的数据的那种呢？在这种情况下，我们希望让指令高速缓存warm-up，而数据高速缓存不能warm-up，很明显，time_warm函数低估我们的运行时间了。让我们进行进一步修改：

double time_cold( void )
{
     p();
     clear_cache();
     start_counter();
     p();
     get_counter();
}

注意，我们加入了一个清除数据缓存的函数。这个函数的具体实现很简单，依情况而定，比如举个例子

volatile int tmp;
static int dummy[N];      // N是你需要清理缓存的字节数

void clear_cache( void )
{
     inti, sum = 0;
     for( i=1;i<N;i++ )
          dummy[i] = 2;
     for( i=1;i<N;i++ )
          sum += dummy[i];
     tmp = sum;
}

具体原理很简单，我们在定义一个数组并在其上执行一个计算，计算过程中的数据会覆盖高速数据缓存中原有的数据。每一次的store和load都会让高速数据缓存cache这个数组，而定义为volatile的tmp则保证这段代码不会被优化。

这样做，是不是就万无一失了呢？不是的，因为大多数处理器，L2高速缓存是不分指令和数据的，这样clear_cache会让所有P的指令也被清除，只不过：L1缓存中的指令还会保留而已。

其实上面提到的诸多原因，都是我们不能控制的，我们无法控制让高速缓存去加载什么，不去加载什么，加载时去掉什么，保留什么。而且，这些误差通常都是会过高估计真实的运行时间。那么具体使用时，有没有什么办法来改善这种情况呢？有，就是The K-Best Measurement Scheme。这玩意其实很麻烦，所以我在具体实践中都不用它，附上一个文档，有兴趣的朋友可以下载下来看一下。