Zeit in Linux messen – Zeit vs. Uhr vs. getrusage vs. clock_gettime vs. gettimeofday vs. timespec_get?

Unter den Timing-Funktionen time, clock getrusage, clock_gettime, gettimeofday und timespec_getmöchte ich klar verstehen, wie sie implementiert sind und was ihre Rückgabewerte sind, um zu wissen, in welcher Situation ich sie verwenden muss.

Zuerst müssen wir zurückkehrende Funktionen klassifizieren Wanduhrwerte Vergleichen Sie mit Funktionen, die zurückkehren Prozess- oder Thread-Werte. gettimeofday gibt den Wert der Wanduhr zurück, clock_gettime gibt den Wert der Wanduhr zurück oder Prozess- oder Thread-Werte abhängig von der Clock Parameter übergeben. getrusage und clock Prozesswerte zurückgeben.

Dann betrifft die zweite Frage die Implementierung dieser Funktionen und folglich ihre Genauigkeit. Welche Hardware- oder Softwaremechanismen verwenden diese Funktionen?

Es scheint, dass getrusage verwendet nur den Kernel-Tick (normalerweise 1 ms lang) und kann daher nicht genauer als ms sein. Ist es richtig? Dann ist die getimeofday Die Funktion scheint die genaueste verfügbare zugrunde liegende Hardware zu verwenden. Infolgedessen beträgt die Genauigkeit auf neuerer Hardware normalerweise die Mikrosekunde (kann aufgrund der API nicht mehr sein). Wie wäre es mit clock, die Manpage spricht von “Approximation”, was bedeutet das? Wie wäre es mit clock_gettime, die API ist in Nanosekunden, bedeutet das, dass sie so genau sein kann, wenn die zugrunde liegende Hardware dies zulässt? Was ist mit Monotonie?

Gibt es noch andere Funktionen?

Das Problem besteht darin, dass in C und C++ mehrere verschiedene Zeitfunktionen verfügbar sind, von denen sich einige im Verhalten zwischen den Implementierungen unterscheiden. Es gibt auch viele Halbantworten, die herumschwirren. Das Zusammenstellen einer Liste von Uhrfunktionen zusammen mit ihren Eigenschaften würde die Frage richtig beantworten. Lassen Sie uns zunächst fragen, was die relevanten Eigenschaften sind, nach denen wir suchen. Wenn ich mir deinen Beitrag ansehe, schlage ich vor:

• Welche Zeit misst die Uhr? (Real, Benutzer, System oder, hoffentlich nicht, Wanduhr?)
• Wie genau ist die Uhr? (s, ms, µs oder schneller?)
• Nach wie viel Zeit läuft die Uhr um? Oder gibt es einen Mechanismus, um dies zu vermeiden?
• Ist die Uhr monoton oder ändert sie sich bei Änderungen der Systemzeit (über NTP, Zeitzone, Sommerzeit, durch den Benutzer usw.)?
• Wie unterscheiden sich die obigen Ausführungen zwischen den Implementierungen?
• Ist die spezifische Funktion veraltet, kein Standard usw.?

Bevor ich mit der Liste beginne, möchte ich darauf hinweisen, dass die Wanduhrzeit selten die richtige Zeit ist, während sie sich mit Zeitzonenänderungen, Sommerzeitumstellungen oder wenn die Wanduhr über NTP synchronisiert wird, ändert. Keines dieser Dinge ist gut, wenn Sie die Zeit nutzen, um Ereignisse zu planen oder die Leistung zu bewerten. Es ist nur wirklich gut für das, was der Name sagt, eine Uhr an der Wand (oder auf dem Schreibtisch).

Folgendes habe ich bisher für Uhren in Linux und OS X gefunden:

• time() gibt die Uhrzeit der Wanduhr vom Betriebssystem mit einer Genauigkeit in Sekunden zurück.
• clock() scheint die Summe aus Benutzer- und Systemzeit zurückzugeben. Es ist in C89 und höher vorhanden. Früher sollte dies die CPU-Zeit in Zyklen sein, aber moderne Standards wie POSIX erfordern, dass CLOCKS_PER_SEC 1000000 ist, was eine maximal mögliche Genauigkeit von 1 µs ergibt. Die Genauigkeit auf meinem System beträgt tatsächlich 1 µs. Dieser Takt läuft um, sobald er seinen Höchststand erreicht hat (dies geschieht normalerweise nach ~2^32 Ticks, was für einen 1-MHz-Takt nicht sehr lang ist). man clock sagt, dass es seit glibc 2.18 mit implementiert ist clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, ...) unter Linux.
• clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...) liefert Nanosekundenauflösung, ist monoton. Ich glaube, die “Sekunden” und “Nanosekunden” werden separat gespeichert, jeweils in 32-Bit-Zählern. Somit würde ein Umbruch nach vielen Dutzend Jahren Betriebszeit erfolgen. Das sieht nach einer sehr guten Uhr aus, ist aber leider noch nicht für OS X verfügbar. POSIX 7 beschreibt CLOCK_MONOTONIC als optionale Erweiterung.
• getrusage() stellte sich für meine Situation als die beste Wahl heraus. Es meldet die Benutzer- und Systemzeiten separat und läuft nicht herum. Die Genauigkeit auf meinem System beträgt 1 µs, aber ich habe es auch auf einem Linux-System (Red Hat 4.1.2-48 mit GCC 4.1.2) getestet und dort war die Genauigkeit nur 1 ms.
• gettimeofday() gibt die Uhrzeit mit (nominell) µs Genauigkeit zurück. Auf meinem System scheint diese Uhr eine µs-Genauigkeit zu haben, aber das ist nicht garantiert, weil “Die Auflösung der Systemuhr ist hardwareabhängig”. POSIX.1-2008 sagt, dass. „Anwendungen sollten die verwenden clock_gettime() Funktion statt Obsoleszenz gettimeofday() function”, also sollten Sie sich davon fernhalten. Linux x86 und implementiert es als Systemaufruf.
• mach_absolute_time() ist eine Option für das Timing mit sehr hoher Auflösung (ns) unter OS X. Auf meinem System ergibt dies tatsächlich eine ns-Auflösung. Im Prinzip läuft diese Uhr herum, aber sie speichert ns mit einer 64-Bit-Ganzzahl ohne Vorzeichen, sodass das Umbrechen in der Praxis kein Problem sein sollte. Die Portabilität ist fraglich.
• Ich habe eine Hybridfunktion basierend auf geschrieben dieser Ausschnitt das verwendet clock_gettime, wenn es unter Linux kompiliert wird, oder einen Mach-Timer, wenn es unter OS X kompiliert wird, um sowohl unter Linux als auch unter OS X eine ns-Präzision zu erhalten.

Alle oben genannten sind sowohl in Linux als auch in OS X vorhanden, sofern nicht anders angegeben. „Mein System“ oben ist ein Apple mit OS X 10.8.3 mit GCC 4.7.2 von MacPorts.

Abschließend ist hier eine Liste von Referenzen, die ich zusätzlich zu den obigen Links hilfreich fand:

• http://blog.habets.pp.se/2010/09/gettimeofday-should-never-be-used-to-measure-time
• Wie misst man die TATSÄCHLICHE Ausführungszeit eines C-Programms unter Linux?
• http://digitalsandwich.com/archives/27-benchmarking-misconceptions-microtime-vs-getrusage.html
• http://www.unix.com/hp-ux/38937-getrusage.html

Aktualisieren: für OS X, clock_gettime wurde ab 10.12 (Sierra) implementiert. Außerdem teilen sich sowohl POSIX- als auch BSD-basierte Plattformen (wie OS X) die rusage.ru_utime struct-Feld.

C11 timespec_get

Anwendungsbeispiel unter: https://stackoverflow.com/a/36095407/895245

Die maximal mögliche zurückgegebene Genauigkeit beträgt Nanosekunden, aber die tatsächliche Genauigkeit ist implementierungsdefiniert und könnte kleiner sein.

Es gibt die Wandzeit zurück, nicht die CPU-Auslastung.

glibc 2.21 implementiert es unter sysdeps/posix/timespec_get.c und leitet direkt weiter an:

clock_gettime (CLOCK_REALTIME, ts) < 0)

clock_gettime und CLOCK_REALTIME sind POSIX http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/functions/clock_getres.htmlund man clock_gettime besagt, dass diese Maßnahme Diskontinuitäten haben kann, wenn Sie eine Systemzeiteinstellung ändern, während Ihr Programm läuft.

C++11-Chrono

Da wir gerade dabei sind, decken wir sie auch ab: http://en.cppreference.com/w/cpp/chrono

GCC 5.3.0 (C++ stdlib befindet sich in der GCC-Quelle):

• high_resolution_clock ist ein Alias ​​für system_clock
• system_clock leitet zum ersten der folgenden verfügbaren Elemente weiter:
  • clock_gettime(CLOCK_REALTIME, ...)
  • gettimeofday
  • time
• steady_clock leitet zum ersten der folgenden verfügbaren Elemente weiter:
  • clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)
  • system_clock

Gefragt bei: Unterschied zwischen std::system_clock und std::steady_clock?

CLOCK_REALTIME vs CLOCK_MONOTONIC: Unterschied zwischen CLOCK_REALTIME und CLOCK_MONOTONIC?