在 Linux 中测量时间 - 时间、时钟、getrusage、clock_gettime、gettimeofday、timespec_get？

问题描述：

在计时函数中time，，，，和clock getrusage，clock_gettime我想清楚地了解它们是如何实现的，以及它们的返回值是什么，以便知道在什么情况下必须使用它们。gettimeofday`timespec_get`

首先，我们需要对返回挂钟值的函数进行分类，与返回进程或线程值的函数进行比较。gettimeofday返回挂钟值，clock_gettime返回挂钟值或进程或线程值，具体取决于Clock传递给它的参数。getrusage并clock返回进程值。

然后第二个问题涉及这些功能的实现以及其准确性。这些功能使用哪种硬件或软件机制。

似乎getrusage只使用内核滴答（通常为 1ms 长），因此不可能比 ms 更精确。对吗？那么该gettimeofday函数似乎使用最精确的底层硬件。因此，在最近的硬件上，它的精度通常是微秒（由于 API，不可能更高）。那么clock，手册页提到“近似值”，这是什么意思？那么clock_gettime，API 以纳秒为单位，这是否意味着如果底层硬件允许，它就可以如此精确？单调性呢？

还有其他功能吗？

解决方案 1：

问题是 C 和 C++ 中有几种不同的时间函数，其中一些函数在不同的实现中行为不同。还有很多不完整的答案。编制一个时钟函数列表及其属性可以正确回答这个问题。首先，让我们问一下我们正在寻找的相关属性是什么。看了你的帖子，我建议：

• 时钟测量什么时间？（真实时间，用户时间，系统时间，或者希望不是挂钟？）

• 时钟的精度是多少？ （s、ms、µs，还是更快？）

• 时钟经过多长时间才会回转？或者有某种机制可以避免这种情况？

• 时钟是单调的吗，还是会随着系统时间的变化而变化（通过 NTP、时区、夏令时、用户等）？

• 上述内容在不同的实现方式下有何不同？

• 具体功能是否过时、非标准等？

在开始列表之前，我想指出的是，挂钟时间很少是合适的时间，而它会随着时区变化、夏令时变化或挂钟是否由 NTP 同步而变化。如果您使用时间来安排活动或对性能进行基准测试，那么这些都不是好东西。它只适用于顾名思义，挂在墙上（或桌面）的时钟。

以下是我目前在 Linux 和 OS X 中发现的时钟信息：

• time()返回操作系统的挂钟时间，精度为秒。

• clock()似乎返回用户和系统时间的总和。它存在于 C89 及更高版本中。曾经这被认为是周期中的 CPU 时间，但现代标准（如 POSIX）要求 CLOCKS_PER_SEC 为 1000000，最大精度为 1 µs。我的系统上的精度确实是 1 µs。此时钟一旦达到最高点就会回绕（这通常发生在 ~2^32 个刻度之后，对于 1 MHz 时钟来说，这不是很长）。表示自 glibc 2.18 以来，它在 Linux 中man clock实现。clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)

• clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)提供纳秒级分辨率，是单调的。我相信“秒”和“纳秒”是分开存储的，每个都存储在 32 位计数器中。因此，任何回绕都会在正常运行数十年后发生。这看起来是一个非常好的时钟，但不幸的是它在 OS X 上尚不可用。POSIX 7描述CLOCK_MONOTONIC为可选扩展。

• getrusage()事实证明，它对我来说是最好的选择。它分别报告用户和系统时间，并且不会回绕。我的系统上的精度为 1 µs，但我也在 Linux 系统（Red Hat 4.1.2-48 和 GCC 4.1.2）上对其进行了测试，精度仅为 1 ms。

• gettimeofday()返回精度为（名义上）µs 的挂钟时间。在我的系统上，这个时钟似乎具有 µs 精度，但这并不能保证，因为“系统时钟的分辨率取决于硬件”。POSIX.1-2008规定。“应用程序应该使用该clock_gettime()函数而不是过时的gettimeofday()函数”，因此您应该远离它。Linux x86 并将其实现为系统调用。

• mach_absolute_time()是 OS X 上非常高分辨率 (ns) 计时的一个选项。在我的系统上，这确实提供了 ns 分辨率。原则上，此时钟会回绕，但是它使用 64 位无符号整数存储 ns，因此回绕在实践中不应该成为问题。可移植性值得怀疑。

• 我根据此代码片段编写了一个混合函数，该函数在 Linux 上编译时使用 clock_gettime，在 OS X 上编译时使用 Mach 计时器，以便在 Linux 和 OS X 上获得 ns 精度。

除非另有说明，以上所有内容都存在于 Linux 和 OS X 中。上面的“我的系统”是运行 OS X 10.8.3 的 Apple，带有来自 MacPorts 的 GCC 4.7.2。

最后，除了上面的链接之外，这里是我发现有用的参考资料列表：

• http://blog.habets.pp.se/2010/09/gettimeofday-should-never-be-used-to-measure-time

• 如何测量 Linux 下 C 程序的实际执行时间？

• http://digitalsandwich.com/archives/27-benchmarking-misconceptions-microtime-vs-getrusage.html

• http://www.unix.com/hp-ux/38937-getrusage.html

更新：对于 OS X，clock_gettime已从 10.12 (Sierra) 开始实施。此外，基于 POSIX 和 BSD 的平台（如 OS X）共享rusage.ru_utimestruct 字段。

解决方案 2：

C11timespec_get

使用示例：https: //stackoverflow.com/a/36095407/895245

返回的最大可能精度是纳秒，但实际精度是由实现定义的，可能会更小。

它返回的是挂钟时间，而不是 CPU 使用率。

glibc 2.21 在其下实现它sysdeps/posix/timespec_get.c并直接转发到：

clock_gettime (CLOCK_REALTIME, ts) < 0)

clock_gettime并且CLOCK_REALTIME是 POSIX http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/functions/clock_getres.html，并man clock_gettime表示如果在程序运行时更改某些系统时间设置，该度量可能会出现不连续性。

C++11 计时

既然我们已经讨论过了，那么就让我们也来介绍一下它们：http://en.cppreference.com/w/cpp/chrono

GCC 5.3.0（C++ stdlib 位于 GCC 源代码中）：

• high_resolution_clock是system_clock

• system_clock转发至下列第一个可用项：

+ `clock_gettime(CLOCK_REALTIME, ...)`
+ `gettimeofday`
+ `time`

• steady_clock转发至下列第一个可用项：

+ `clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)`
+ `system_clock`

询问：std::system_clock 和 std::steady_clock 之间的区别？

CLOCK_REALTIMEvs CLOCK_MONOTONIC：CLOCK_REALTIME 和 CLOCK_MONOTONIC 之间的区别？