在Linux中测量时间 - 时间与时钟对比getrusage vs clock_gettime vs gettimeofday vs timespec_get？

Question

在时间函数time，clock getrusage，clock_gettime，gettimeofday和timespec_get中，我想清楚地了解它们是怎样的实现了它们的返回值是什么，以便知道在哪种情况下我必须使用它们。

首先，我们需要将返回挂钟值的函数与返回进程或线程值的函数进行分类。 gettimeofday会返回挂钟值，clock_gettime会返回挂钟值或进程或线程值，具体取决于传递给它的Clock参数。 getrusage和clock会返回流程值。

然后第二个问题涉及这些功能的实施，因此，它们的准确性。这些功能使用哪种硬件或软件机制。

似乎getrusage仅使用内核tick（通常为1ms长），因此不能比ms更精确。这样对吗？ 然后getimeofday函数似乎使用最准确的底层硬件。因此，它的准确性通常是近期硬件上的微秒（因为API而不能更多）。 怎么样clock，手册页谈到“近似”，它是什么意思？ 那么clock_gettime，API是纳秒级，是否意味着如果底层硬件允许它，它能够如此准确？单调性怎么样？

还有其他功能吗？

Answer 1

问题在于C和C ++中有几种不同的时间函数，其中一些在实现之间的行为有所不同。周围还有很多半答案。编译时钟函数列表及其属性将正确回答问题。对于开始，让我们问一下我们正在寻找的相关属性。看看你的帖子，我建议：

• 时钟衡量的是什么时间？ （真实的，用户的，系统的，或者，希望不是，挂钟？）
• 时钟的精度是多少？ （s，ms，μs，还是更快？）
• 时钟绕了多长时间？或者有一些机制可以避免这种情况吗？
• 时钟是单调的，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）？
• 上述实施方式有何不同？
• 具体功能是否过时，非标准等？

在开始列表之前，我想指出挂钟时间很少是正确的使用时间，而它会随着时区变化，夏令时变化或挂钟被NTP同步而变化。如果您使用时间安排事件或基准性能，这些都不是好事。它只是名字所说的非常好，墙上（或桌面）上的时钟。

这是我迄今为止在Linux和OS X中发现的时钟：

• time()从操作系统返回挂钟时间，精确度以秒为单位。
• 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。有一段时间，这应该是循环中的CPU时间，但现代标准like POSIX要求CLOCKS_PER_SEC为1000000，最大可能的精度为1μs。我系统的精度确实是1μs。一旦它达到顶峰，这个时钟就会回绕（这通常发生在~2 ^ 32滴答之后，对于1 MHz时钟来说这不是很长）。 man clock表示自从glibc 2.18开始，它在Linux中用clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...)实现。
• clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)提供纳秒分辨率，是单调的。我相信'秒'和'纳秒'是分开存储的，每个都在32位计数器中。因此，经过数十年的正常运行时间后，任何环绕都会发生。这看起来像一个非常好的时钟，但不幸的是它还没有在OS X上提供.POSIX 7 describes CLOCK_MONOTONIC as an optional extension。
• getrusage()原来是我情况的最佳选择。它分别报告用户和系统时间，而不是环绕。我的系统精度为1μs，但我也在Linux系统（Red Hat 4.1.2-48，GCC 4.1.2）上进行了测试，精度仅为1 ms。
• gettimeofday()以（标称）μs精度返回挂钟时间。在我的系统上，这个时钟似乎具有μs精度，但这不能保证，因为"the resolution of the system clock is hardware dependent"。 POSIX.1-2008 says that。 “应用程序应使用clock_gettime()函数而不是过时的gettimeofday()函数”，因此您应该远离它。 Linux x86并实现它as a system call。
• mach_absolute_time()是OS X上非常高分辨率（ns）时序的选项。在我的系统上，这确实给出了ns分辨率。原则上，这个时钟环绕，但它使用64位无符号整数存储ns，所以在实践中环绕应该不是问题。便携性值得怀疑。
• I wrote a hybrid function基于this snippet在Linux上编译时使用clock_gettime，或在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，否则上述所有内容都存在于Linux和OS X中。上面的“我的系统”是Apple运行的OS X 10.8.3，MacPorts的GCC 4.7.2。

最后，除了上面的链接之外，这里有一个我发现有用的参考文献列表：

• http://blog.habets.pp.se/2010/09/gettimeofday-should-never-be-used-to-measure-time
• How to measure the ACTUAL execution time of a C program under Linux?
• http://digitalsandwich.com/archives/27-benchmarking-misconceptions-microtime-vs-getrusage.html
• http://www.unix.com/hp-ux/38937-getrusage.html

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更新：对于OS X，clock_gettime已于10.12（Sierra）实施。此外，基于POSIX和BSD的平台（如OS X）共享rusage.ru_utime结构域。

Answer 2

C11 timespec_get

用法示例：https://stackoverflow.com/a/36095407/895245

返回的最大可能精度为纳秒，但实际精度是实现定义的，可能更小。

它返回挂起时间，而不是CPU使用率。

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

clock_gettime (CLOCK_REALTIME, ts) < 0)

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

C ++ 11 chrono

既然我们已经做到了，那么我们也要覆盖它们：http://en.cppreference.com/w/cpp/chrono

GCC 5.3.0（C ++ stdlib在GCC源代码内）：

• high_resolution_clock是system_clock
的别名
• system_clock转发到以下第一个可用的内容：
  • clock_gettime(CLOCK_REALTIME, ...)
  • gettimeofday
  • time
• steady_clock转发到以下第一个可用的内容：
  • clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)
  • system_clock

提问：Difference between std::system_clock and std::steady_clock?

CLOCK_REALTIME vs CLOCK_MONOTONIC：Difference between CLOCK_REALTIME and CLOCK_MONOTONIC?