c++ windows下计时

多核时代不宜再用 x86 的 RDTSC 指令测试指令周期和时间

陈硕
Blog.csdn.net/Solstice

自从 Intel Pentium 加入 RDTSC 指令以来，这条指令是 micro-benchmarking 的利器，可以以极小的代价获得高精度的 CPU 时钟周期数（Time Stamp Counter），不少介绍优化的文章[1]和书籍用它来比较两段代码的快慢。甚至有的代码用 RDTSC 指令来计时，以替换 gettimeofday() 之类的系统调用。在多核时代，RDTSC 指令的准确度大大削弱了，原因有三：

不能保证同一块主板上每个核的 TSC 是同步的；
CPU 的时钟频率可能变化，例如笔记本电脑的节能功能；
乱序执行导致 RDTSC 测得的周期数不准，这个问题从 Pentium Pro 时代就存在。

这些都影响了 RDTSC 的两大用途，micro-benchmarking 和计时。

RDTSC 一般的用法是，先后执行两次，记下两个 64-bit 整数 start 和 end，那么 end-start 代表了这期间 CPU 的时钟周期数。

在多核下，这两次执行可能会在两个 CPU 上发生，而这两个 CPU 的计数器的初值不一定相同（由于完成上电复位的准确时机不同），（有办法同步，见[3]），那么就导致 micro-benchmarking 的结果包含了这个误差，这个误差可正可负，取决于先执行的那块 CPU 的时钟计数器是超前还是落后。

另外，对于计时这个用途，时间 = 周期数 / 频率，由于频率可能会变（比如我的笔记本的 CPU 通常半速运行在 800MHz，繁忙的时候全速运行在 1.6GHz），那么测得的时间也就不准确了。有的新 CPU 的 RDTSC 计数频率是恒定的，那么时钟是准了，那又会导致 micro-benchmarking 的结果不准，见 [2]。还有一个可能是掉电之后恢复（比如休眠），那么 TSC 会清零。总之，用 RDTSC 来计时是不灵的。

乱序执行这个问题比较简单 [1]，但意义深远：在现代 CPU 的复杂架构下，测量几条或几十条指令的耗时是无意义的，因为观测本身会干扰 CPU 的执行（cache, 流水线, 多发射，乱序, 猜测)，这听上去有点像量子力学系统了。要么我们以更宏观的指标来标示性能，把"花 xxx 个时钟周期"替换"每秒处理 yyy 条消息"或"消息处理的延时为 zzz 毫秒"；要么用专门的 profiler 来减小对观测结果的影响（无论是 callgrind 这种虚拟 CPU，还是 OProfile 这种采样器）。

虽然 RDTSC 废掉了，性能测试用的高精度计时还是有办法的 [2]，在 Windows 用 QueryPerformanceCounter 和 QueryPerformanceFrequency，Linux 下用 POSIX 的 clock_gettime 函数，以 CLOCK_MONOTONIC 参数调用。或者按文献 [3] 的办法，先同步 TSC，再使用它。（我不知道现在最新的 Linux 官方内核是不是内置了这个同步算法。也不清楚校准后的两个 CPU 的“钟”会不会再次失步。）

通过调用SetThreadAffinityMask，就能为各个线程设置亲缘性屏蔽：

DWORD_PTR SetThreadAffinityMask (
HANDLE hThread, // handle to thread
DWORD_PTR dwThreadAffinityMask // thread affinity mask
);
该函数中的 hThread 参数用于指明要限制哪个线程， dwThreadAffinityMask用于指明该线程
能够在哪个CPU上运行。dwThreadAffinityMask必须是进程的亲缘性屏蔽的相应子集。返回值
是线程的前一个亲缘性屏蔽。例如，可能有一个包含4个线程的进程，它们在拥有4个CPU的计算机上运行。如果这些线程中的一个线程正在执行非常重要的操作，而你想增加某个CPU始终可供它使用的可能性，为此你对其他3个线程进行了限制，使它们不能在CPU 0上运行，而只能在CPU 1、2和3上运行。因此，若要将3个线程限制到CPU 1、2和3上去运行，可以这样操作：

//线程0只能在cpu 0上运行
SetThreadAffinityMask(hThread0,0x00000001);
//线程1，2，3只能在cpu 1，2，3上运行
SetThreadAffinityMask(hThread1,0x0000000E);
SetThreadAffinityMask(hThread2,0x0000000E);
SetThreadAffinityMask(hThread3,0x0000000E);

本文对Windows平台下常用的计时函数进行总结，包括精度为秒、毫秒、微秒三种精度的 5种方法。分为在标准C/C++下的二种time()及clock()，标准C/C++所以使用的time()及clock()不仅可以用在 Windows系统，也可以用于Linux系统。在Windows系统下三种，使用Windows提供的API接口timeGetTime()、 GetTickCount()及QueryPerformanceCounter()来完成。文章最后给出了5种计时方法示例代码。

标准C/C++的二个计时函数time()及clock()

time_t time(time_t *timer);

返回以格林尼治时间（GMT）为标准，从1970年1月1日00:00:00到现在的此时此刻所经过的秒数。

time_t实际是个long长整型typedef long time_t;

头文件：#include <time.h>

clock_t clock(void);

返回进程启动到调用函数时所经过的CPU时钟计时单元（clock tick）数，在MSDN中称之为挂钟时间（wal-clock），以毫秒为单位。

clock_t实际是个long长整型typedef long clock_t;

头文件：#include <time.h>

Windows系统API函数

timeGetTime()、GetTickCount()及QueryPerformanceCounter()

DWORD timeGetTime(VOID);

返回系统时间，以毫秒为单位。系统时间是从系统启动到调用函数时所经过的毫秒数。注意，这个值是32位的，会在0到2^32之间循环，约49.71天。

头文件：#include <Mmsystem.h>

引用库：#pragma comment(lib, "Winmm.lib")

DWORD WINAPI GetTickCount(void);

这个函数和timeGetTime()一样也是返回系统时间，以毫秒为单位。

头文件：直接使用#include <windows.h>就可以了。

高精度计时，以微秒为单位（1毫秒=1000微秒）。

先看二个函数的定义

BOOL QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER *lpPerformanceCount);

得到高精度计时器的值(如果存在这样的计时器)。

BOOL QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTEGER *lpFrequency);

返回硬件支持的高精度计数器的频率（次每秒），返回0表示失败。

再看看LARGE_INTEGER

它其实是一个联合体，可以得到__int64 QuadPart;也可以分别得到低32位DWORD LowPart和高32位的值LONG HighPart。

在使用时，先使用QueryPerformanceFrequency()得到计数器的频率，再计算二次调用QueryPerformanceCounter()所得的计时器值之差，用差去除以频率就得到精确的计时了。

头文件：直接使用#include <windows.h>就可以了。