程序調優中如何穩定地測試程序運行時間
計算代碼段的運行時間
關於程序運行過程中，有效地測試程序運行時間有下面幾個方法。
使用clock()函數進行程序運行時間統計
#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main(int argc, char** argv) {
clock_t start_cnt, end_cnt;
start_cnt = clock();
// ...
end_cnt = clock();
double t = (end_cnt - start_cnt) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("Use time: %f s. \n", t); // 單位爲秒
return 0;
}
CLOCKS_PER_SEC爲每秒的計時週期數，一般CLOCKS_PER_SEC的值爲1000000，即以us爲單位。
使用rdtsc彙編指令計算實際運行CPU週期數
這種方法雖然精度比較高，但是在多核時代其實也不是特別準了。主要是現代處理器體系結構的以下特點影響造成的：
- 亂序執行導致測得不準
- 如果進程進行了切換，下一次運行在其它CPU核心上，CPU核心計時器不同步影響特別大
並且它的單位是執行時鐘週期數，由於自動調頻的存在，將CPU時鐘週期數轉化爲計時單位秒比較困難，但是在體系結構分析中可能比較有用。
具體參考多核時代不宜再用 x86 的 RDTSC 指令測試指令週期和時間
使用clock_gettime()函數
#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main(int argc, char** argv) {
struct timespec start_cnt, end_cnt;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start_cnt);
// ...
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end_cnt);
double t = (end_cnt.tv_sec - start_cnt.tv_sec) * 1000.0 + (end_cnt.tv_nsec - start_cnt.tv_nsec) / 1000000.0;
printf("Use time: %f ms. \n", t); // 單位爲毫秒
return 0;
}
使用clock_gettime()函數達到的精度爲ns，屬於非常準的計時了。
使用gettimeofday()函數
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
int main(int argc, char** argv) {
struct timeval tv;
double start_cnt, end_cnt;
gettimeofday(&tv, NULL);
start_cnt = tv.tv_sec * 1000.0 + tv.tv_usec / 1000.0;
// ...
gettimeofday(&tv, NULL);
end_cnt = tv.tv_sec * 1000.0 + tv.tv_usec / 1000.0;
double t = end_cnt - start_cnt;
printf("Use time: %f ms. \n", t);
return 0;
}
使用gettimeofday()函數的精度爲us，屬於比較準的計時了。
使用times()函數
times()函數計時精度比較低，計時精度一般是10ms，不推薦。參考linux times函數分析
總結
C/C++代碼裏面有各種各樣的計時函數。其中需要注意一點的是，如果程序運行過程中涉及了上下文切換，計算的時間還準嗎？這裏除了clock()和times()函數會去掉本進程休眠的時間外，其它的都不能去掉進程休眠的影響。但是考慮到一般對於計算密集的程序，如果不涉及到IO或者直接使用sleep進行休眠，基本不會進行上下文切換，對於程序計時的影響不大。
對於程序計時，筆者對他們封裝了一下，具體見我的碼雲。關於獲取程序運行時鐘週期數，本來打算將其擴展到ARM的，後期再說吧！
避免CPU核心自調整頻率的坑
最近在測試程序運行的時候，程序運行時間對比老是跳來跳去。
經過多方排查，發現是CPU的頻率動態調節的坑。
CPU頻率動態調節對運行時間短的程序影響特別大。特別是2秒以內的程序。
如果是程序運行超過2秒的程序，由於計算密集造成系統提升頻率的時間大概在半秒到1秒之間，所以影響不是特別大。
至於是如何發現的，是在perf工具進行性能分析的時候發現的。
那麼如何避免這個坑呢？
串行程序
如果是串行運行程序，推薦方法是首先把一個特定的CPU的模式改爲peformance模式（即使用最大頻率運行模式），然後設置程序在這個特定的CPU上面運行。程序運行完成之後再還原爲系統默認的conservative模式。
這樣做的好處有以下幾點：
- 放到一個特定的編號的CPU上面，其它進程對其搶佔的機率比較小，可能幾乎就沒有進程的上下文切換開銷，避免了進程上下文切換的干擾。
- 在一個特定的CPU上面運行便於監控。
具體做法如下（以使用21號CPU爲例）：
- 將在程序代碼裏面加入如下的設置cpu的函數，並且在主函數運行開始便指定cpu：
#define _GNU_SOURCE //這行要加
#include <sched.h>
void set_cpu(int cpu) {
cpu_set_t cpu_mask;
CPU_ZERO(&cpu_mask);
CPU_SET(cpu, &cpu_mask);
sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_mask), &cpu_mask);
}
int main(int argc, char** argv) {
set_cpu(21); //設置當前進程運行在21號CPU
// ...
return 0;
}
- 設置21號CPU的模式爲performance：
su root # 需要root權限
cpupower -c 21 frequency-set -g performance
exit # 設置完之後一定要退出root
- 運行加入set_cpu(21)的代碼。
- 測試完成後，設置21號CPU爲默認的conservative模式：
su root # 需要root權限
cpupower -c 21 frequency-set -g conservative
exit # 設置完之後一定要退出root
**PS:**設定進程運行在特定的CPU上面，也可以使用taskset命令。
並行程序
推薦做法是把所有cpu設爲performance模式，之後測試程序。測完之後記得將CPU改爲默認模式。
su root # 需要root權限
cpupower frequency-set -g performance # 設置所有CPU爲performance模式
exit # 設置完之後一定要退出root
# 運行你的測試
su root # 需要root權限
cpupower frequency-set -g conservative # 運行完成後調爲默認模式
exit # 設置完之後一定要退出root
關於爲什麼最後還要調回默認模式
對於服務器來說，第一個因素肯定是耗電呀！可能有人說服務器在機房，不用你管耗不耗電。但是就是動一動手指的事，就算爲地球環保做貢獻吧！