測量C++程序運行時間

有個很奇怪的現象，我自認爲寫得好的文章閱讀量只有一百多，隨手寫的卻有一千多——要麼是胡搞，要麼是比較淺顯。縱觀博客園裏衆多閱讀過萬的文章，若非絕世之做，則必爲介紹入門級知識的短文。爲了讓個人十八線博客上升到十七線，我打算寫幾篇短文。固然，短不等於隨便，不等於不負責任。客觀的，要有確鑿的依據，代碼必須調通；主觀的，觀點儘可能全面。

前兩天寫C++值多態，最後有一個性能比較，須要測量程序運行的時間，因而我重溫了相關知識，現整理以下。

C風格

在C程序和C++11之前的C++程序中，測量程序運行時間通常使用clock函數和CLOCKS_PER_SEC常量，定義在<time.h>中。

clock_t是一種能表示時鐘週期數的算術類型，在MSVC和GCC中都是long。

clock函數返回自一個與程序執行相關的時間起至調用時刻通過的時鐘週期數，類型爲clock_t。因爲起始時間是由實現定義的，clock函數的返回值沒有直接的意義，只有兩次調用clock的結果之差纔有意義。

CLOCKS_PER_SEC表示一秒有多少個時鐘週期，在MSVC和GCC中都是1000，即C風格時間測量的精度爲1毫秒。若是long的大小是4字節，clock溢出須要24天，通常狀況下足夠使用。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int work()
{
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < 1e8; ++i)
        sum += i * i;
    return sum;
}

int main()
{
    clock_t start, finish;
    start = clock();
    volatile int result = work();
    finish = clock();
    printf("%fms\n", (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC * 1000);
}

C++風格

從C++11起，C++提供了更加現代的時間工具，定義在<chrono>中，namespace std::chrono下。

chrono庫主要定義了三種類型：時鐘（clock）、時間點（time point）和時間段（duration）。時鐘產生時間點，時間點相減獲得時間段，時間點加減時間段獲得時間點。因爲有auto自動類型推導和運算符重載的存在，咱們在使用時不多須要寫明與時間相關的變量的類型。

C++標準規定了3種時鐘：

• system_clock，系統範圍的掛鐘，能夠理解爲桌面右下角的時鐘，這個時鐘是能夠調節的，所以system_clock的返回值可能不是單調的；

• steady_clock，穩定的、單調的時鐘，不受系統時間調節的影響，於是適合於測量時間間隔，一般測量程序運行時間就用steady_clock；

• high_resolution_clock，可用的最高精度的時鐘，能夠是上面兩個的別名。

每一個時鐘都有靜態方法now返回當前的時間點，is_steady常量表示時鐘是否單調（steady_clock::is_steady必定爲true）。system_clock是惟一能與C中time_t互通的時鐘。

時鐘定義了成員類型period，表示一個時鐘週期的時長（以秒爲單位）。在MSVC和GCC中，steady_clock::period都是nano，理論上的分辨率爲納秒。

兩個時間點相減能夠獲得時間段，調用其count函數能夠得到其數值，這個時間段的類型是由實現定義的。標準還定義了milliseconds、seconds等類型，爲了獲得以咱們想要的單位表示的時間段，能夠用duration_cast來轉換：

#include <iostream>
#include <chrono>

int work()
{
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < 1e8; ++i)
        sum += i * i;
    return sum;
}

int main()
{
    auto start = std::chrono::steady_clock::now();
    volatile int result = work();
    auto finish = std::chrono::steady_clock::now();
    auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(finish - start);
    std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;
}

可是這樣只能輸出整數毫秒，若是想要更精確一點，一種方法是轉換成microseconds之後除以1000.0，更優雅地能夠本身定義一種時間段類型，如duration<double, milli>，其中double表示這種時間段類型用double來存儲時鐘週期數量，milli表示時鐘週期爲1ms。從由整數表示的duration到由浮點數表示的duration的轉換能夠由duration的構造函數來完成，無需再用duration_cast：

auto start = std::chrono::steady_clock::now();
volatile int result = work();
auto finish = std::chrono::steady_clock::now();
using milliseconds = std::chrono::duration<double, std::milli>;
milliseconds duration = finish - start;
std::cout << duration.count() << "ms" << std::endl;

睡眠

另外一個與時間相關的經常使用功能是程序睡眠，在C++11之前沒有標準的函數能夠實現，C++11引入的併發解決了這個需求。

std::this_thread::sleep_for用於使當前線程掛起一段時間，其參數類型爲duration模板實例，能夠用milliseconds(100)等建立，也能夠在using namespace std::chrono_literals後直接寫100ms（須要C++14）。參數不是普通整數，也就沒有了時間單位上的歧義。

#include <chrono>
#include <thread>

using namespace std::chrono_literals;

int main()
{
    std::this_thread::sleep_for(100ms);
}