VC獲取精確時間的作法

聲明：本文章是我整合網上的資料而成的，其中的大部分文字不是我所爲的，我所起的做用只是概括整理並添加個人一些見解。很是感謝引用到的文字的做者的辛勤勞動，所參考的文獻在文章最後我已一一列出。

 

    對關注性能的程序開發人員而言，一個好的計時部件既是益友，也是良師。計時器既能夠做爲程序組件幫助程序員精確的控制程序進程，又是一件有力的調試武器，在有經驗的程序員手裏能夠儘快的肯定程序的性能瓶頸，或者對不一樣的算法做出有說服力的性能比較。 

    在Windows平臺下，經常使用的計時器有兩種，一種是timeGetTime多媒體計時器，它能夠提供毫秒級的計時。但這個精度對不少應用場合而言仍是太粗糙了。另外一種是QueryPerformanceCount計數器，隨系統的不一樣能夠提供微秒級的計數。對於實時圖形處理、多媒體數據流處理、或者實時系統構造的程序員，善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一項基本功。 

本文要介紹的，是另外一種直接利用Pentium CPU內部時間戳進行計時的高精度計時手段。如下討論主要得益於《Windows圖形編程》一書，第 15頁－17頁，有興趣的讀者能夠直接參考該書。關於RDTSC指令的詳細討論，能夠參考Intel產品手冊。本文僅僅做拋磚之用。 
在 Intel Pentium以上級別的CPU中，有一個稱爲「時間戳（Time Stamp）」的部件，它以64位無符號整型數的格式，記錄了自CPU上電以來所通過的時鐘週期數。因爲目前的CPU主頻都很是高，所以這個部件能夠達到納秒級的計時精度。這個精確性是上述兩種方法所沒法比擬的。 

在Pentium以上的CPU中，提供了一條機器指令RDTSC（Read Time Stamp Counter）來讀取這個時間戳的數字，並將其保存在EDX:EAX寄存器對中。因爲EDX:EAX寄存器對剛好是Win32平臺下C++語言保存函數返回值的寄存器，因此咱們能夠把這條指令當作是一個普通的函數調用。像這樣： 

inline unsigned __int64 GetCycleCount() 
{ 
__asm RDTSC 
} 

可是不行，由於RDTSC不被C++的內嵌彙編器直接支持，因此咱們要用_emit僞指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31，以下： 

inline unsigned __int64 GetCycleCount() 
{ 
__asm _emit 0x0F 
__asm _emit 0x31 
} 

之後在須要計數器的場合，能夠像使用普通的Win32 API同樣，調用兩次GetCycleCount函數，比較兩個返回值的差，像這樣： 

unsigned long t; 
t = (unsigned long)GetCycleCount(); 
//Do Something time-intensive ... 
t -= (unsigned long)GetCycleCount(); 

     《Windows圖形編程》第15頁編寫了一個類，把這個計數器封裝起來。有興趣的讀者能夠去參考那個類的代碼。做者爲了更精確的定時，作了一點小小的改進，把執行RDTSC指令的時間，經過連續兩次調用GetCycleCount函數計算出來並保存了起來，之後每次計時結束後，都從實際獲得的計數中減掉這一小段時間，以獲得更準確的計時數字。但我我的以爲這一點點改進意義不大。在個人機器上實測，這條指令大概花掉了幾十到100多個週期，在 Celeron 800MHz的機器上，這不過是十分之一微秒的時間。對大多數應用來講，這點時間徹底能夠忽略不計；而對那些確實要精確到納秒數量級的應用來講，這個補償也過於粗糙了。 

      我從《Windows圖形編程》上把這個類的源碼拷貝了下來供你們看看，下面是使用RDTSC指令的CPU時鐘循環秒錶類：

 

1. // Timer.h
2. #pragma once
4. inline unsigned __int64 GetCycleCount(void)
5. {
6.     _asm  _emit 0x0F
7.     _asm  _emit 0x31
8. }
10. class KTimer
11. {
12.     unsigned __int64 m_startcycle;
14. public:
15.   
16.       unsigned __int64 m_overhead;
18.       KTimer(void)
19.       {
20.           m_overhead = 0;
22.           Start();
23.           m_overhead  = Stop();
24.       }
26.       void Start(void)
27.       {
28.           m_startcycle = GetCycleCount();
29.       }
31.       unsigned __int64 Stop(void)
32.       {
33.           return GetCycleCount()-m_startcycle-m_overhead;
34.       }
35. };

 

這個方法的優勢是： 

1.高精度。能夠直接達到納秒級的計時精度（在1GHz的CPU上每一個時鐘週期就是一納秒），這是其餘計時方法所難以企及的。 

2. 成本低。timeGetTime 函數須要連接多媒體庫winmm.lib，QueryPerformance* 函數根據MSDN的說明，須要硬件的支持（雖然我尚未見過不支持的機器）和KERNEL庫的支持，因此兩者都只能在Windows平臺下使用（關於DOS平臺下的高精度計時問題，能夠參考《圖形程序開發人員指南》，裏面有關於控制定時器8253的詳細說明）。但RDTSC指令是一條CPU指令，凡是i386平臺下Pentium以上的機器均支持，甚至沒有平臺的限制（我相信i386版本UNIX和Linux下這個方法一樣適用，但沒有條件試驗），並且函數調用的開銷是最小的。

（這裏我想說的是：照這樣看，跨平臺也只能說是操做系統平臺，不能跨硬件平臺，就是說只能用在Intel Pentium以上的機器）

3. 具備和CPU主頻直接對應的速率關係。一個計數至關於1/(CPU主頻Hz數)秒，這樣只要知道了CPU的主頻，能夠直接計算出時間。這和 QueryPerformanceCount不一樣，後者須要經過QueryPerformanceFrequency獲取當前計數器每秒的計數次數才能換算成時間。 

這個方法的缺點是： 

1.現有的C/C++編譯器多數不直接支持使用RDTSC指令，須要用直接嵌入機器碼的方式編程，比較麻煩。 

2.數據抖動比較厲害。其實對任何計量手段而言，精度和穩定性永遠是一對矛盾。若是用低精度的timeGetTime來計時，基本上每次計時的結果都是相同的；而RDTSC指令每次結果都不同，常常有幾百甚至上千的差距。這是這種方法高精度自己固有的矛盾。

 

（這裏數據抖動確實是一個大問題，我遇到過這樣一種狀況，好比測試a和b兩種算法，因爲數據抖動，有時a比b耗時少，有時b比a耗時少。我想過兩種測試辦法：

（1）增多測試次數，好比對a和b兩種算法各測試10次，看a比b耗時少的次數和b比a耗時少的次數哪一個多，以此斷定哪一個算法效率高。

（2）增大測試數據量，我想一增大測試數據量，算法效率的差別就會顯現出來）

關於這個方法計時的最大長度，咱們能夠簡單的用下列公式計算： 

自CPU上電以來的秒數 = RDTSC讀出的週期數 / CPU主頻速率（Hz） 

64位無符號整數所能表達的最大數字是1.8×10^19，在個人Celeron 800上能夠計時大約700年（書中說能夠在200MHz的Pentium上計時117年，這個數字不知道是怎麼得出來的，與個人計算有出入）。不管如何，咱們大可沒必要關心溢出的問題。 

下面是幾個小例子，簡要比較了三種計時方法的用法與精度

 

1. #include <stdio.h> 
2. #include "KTimer.h" 
3. main() 
4. { 
5. unsigned t; 
6. KTimer timer; 
7. timer.Start(); 
8. Sleep(1000); 
9. t = timer.Stop(); 
10. printf("Lasting Time: %d/n",t); 
11. } 
13. //Timer2.cpp 使用了timeGetTime函數 
14. //需包含<mmsys.h>，但因爲Windows頭文件錯綜複雜的關係 
15. //簡單包含<windows.h>比較偷懶：） 
16. //編譯行：CL timer2.cpp /link winmm.lib 
17. #include <windows.h> 
18. #include <stdio.h> 
20. main() 
21. { 
22. DWORD t1, t2; 
23. t1 = timeGetTime(); 
24. Sleep(1000); 
25. t2 = timeGetTime(); 
26. printf("Begin Time: %u/n", t1); 
27. printf("End Time: %u/n", t2); 
28. printf("Lasting Time: %u/n",(t2-t1)); 
29. } 
31. //Timer3.cpp 使用了QueryPerformanceCounter函數 
32. //編譯行：CL timer3.cpp /link KERNEl32.lib 
33. #include <windows.h> 
34. #include <stdio.h> 
36. main() 
37. { 
38. LARGE_INTEGER t1, t2, tc; 
39. QueryPerformanceFrequency(&tc); 
40. printf("Frequency: %u/n", tc.QuadPart); 
41. QueryPerformanceCounter(&t1); 
42. Sleep(1000); 
43. QueryPerformanceCounter(&t2); 
44. printf("Begin Time: %u/n", t1.QuadPart); 
45. printf("End Time: %u/n", t2.QuadPart); 
46. printf("Lasting Time: %u/n",( t2.QuadPart- t1.QuadPart)); 
47. // 這裏要計算時間（單位爲秒），應加上這一句
48. double dTotalTime = (double)(t2.QuadPart-t1.QuadPart) / (double)tc.QuadPart;    //秒
49. printf("耗時: %f/n", dTotalTime);
50. } 

 

 

//以上三個示例程序都是測試1秒鐘休眠所耗費的時間 
file://測/試環境：Celeron 800MHz / 256M SDRAM 
// Windows 2000 Professional SP2 
// Microsoft Visual C++ 6.0 SP5 
//////////////////////////////////////////////// 

如下是Timer1的運行結果，使用的是高精度的RDTSC指令 
Lasting Time: 804586872 

如下是Timer2的運行結果，使用的是最粗糙的timeGetTime API 
Begin Time: 20254254 
End Time: 20255255 
Lasting Time: 1001 

如下是Timer3的運行結果，使用的是QueryPerformanceCount API 
Frequency: 3579545 
Begin Time: 3804729124 
End Time: 3808298836 
Lasting Time: 3569712 

古人說，舉一反三。從一本介紹圖形編程的書上獲得一個如此有用的實時處理知識，我感到很是高興。有美不敢自專，但願你們和我同樣喜歡這個輕便有效的計時器。

 

    網上有一種說法說

double dTotalTime=(double)(t2.QuadPart-t1.QuadPart)/(double)tc.QuadPart

可能有問題，好比說如今不少主板都有CPU頻率自動調整功能，主要是節能，尤爲在筆記本上，這樣除下來不能保證精確性。我不肯定這種說法是否準確，供你們研究

 

   上文主要摘自《使用CPU時間戳進行高精度計時》，其實除了上面提到的三種方法，還有一種經常使用固然沒有上面準確的辦法，就是使用GetTickCount函數，這種方法可以獲取毫秒級的時間，具體用法以下：

 

 

1. DWORD startTime = GetTickCount();
3. // do something 
5. DWORD totalTime = GetTickCount() - startTime;

 

參考文獻：

《使用CPU時間戳進行高精度計時》     做者：zhangyan_qd

《Windows圖形編程》，(美)Feng Yuan 著

《VC中取得毫秒級的時間》，http://www.cppblog.com/humanchao/archive/2008/04/22/43322.html