使用CPU时间戳进行高精度计时

关键字
高精度 计时 cpu c++

正文
对关注性能的程序开发人员而言，一个好的计时部件既是益友，也是良师。计时器既可以作为程序组件帮助程序员精确的控制程序进程，又是一件有力的调试武器，在有经验的程序员手里可以尽快的确定程序的性能瓶颈，或者对不同的算法作出有说服力的性能比较。
在windows平台下，常用的计时器有两种，一种是timegettime多媒体计时器，它可以提供毫秒级的计时。但这个精度对很多应用场合而言还是太粗糙了。另一种是queryperformancecount计数器，随系统的不同可以提供微秒级的计数。对于实时图形处理、多媒体数据流处理、或者实时系统构造的程序员，善用queryperformancecount/queryperformancefrequency是一项基本功。
本文要介绍的，是另一种直接利用pentium cpu内部时间戳进行计时的高精度计时手段。以下讨论主要得益于《windows图形编程》一书，第15页－17页，有兴趣的读者可以直接参考该书。关于rdtsc指令的详细讨论，可以参考intel产品手册。本文仅仅作抛砖之用。

在intel pentium以上级别的cpu中，有一个称为“时间戳（time stamp）”的部件，它以64位无符号整型数的格式，记录了自cpu上电以来所经过的时钟周期数。由于目前的cpu主频都非常高，因此这个部件可以达到纳秒级的计时精度。这个精确性是上述两种方法所无法比拟的。
在pentium以上的cpu中，提供了一条机器指令rdtsc（read time stamp counter）来读取这个时间戳的数字，并将其保存在edx:eax寄存器对中。由于edx:eax寄存器对恰好是win32平台下c++语言保存函数返回值的寄存器，所以我们可以把这条指令看成是一个普通的函数调用。像这样：

inline unsigned __int64 getcyclecount()
{
__asm rdtsc
}

但是不行，因为rdtsc不被c++的内嵌汇编器直接支持，所以我们要用_emit伪指令直接嵌入该指令的机器码形式0x0f、0x31，如下：

inline unsigned __int64 getcyclecount()
{
__asm _emit 0x0f
__asm _emit 0x31
}

以后在需要计数器的场合，可以像使用普通的win32 api一样，调用两次getcyclecount函数，比较两个返回值的差，像这样：

unsigned long t;
t = (unsigned long)getcyclecount();
//do something time-intensive ...
t -= (unsigned long)getcyclecount();

《windows图形编程》第15页编写了一个类，把这个计数器封装起来。有兴趣的读者可以去参考那个类的代码。作者为了更精确的定时，做了一点小小的改进，把执行rdtsc指令的时间，通过连续两次调用getcyclecount函数计算出来并保存了起来，以后每次计时结束后，都从实际得到的计数中减掉这一小段时间，以得到更准确的计时数字。但我个人觉得这一点点改进意义不大。在我的机器上实测，这条指令大概花掉了几十到100多个周期，在celeron 800mhz的机器上，这不过是十分之一微秒的时间。对大多数应用来说，这点时间完全可以忽略不计；而对那些确实要精确到纳秒数量级的应用来说，这个补偿也过于粗糙了。

这个方法的优点是：
1.高精度。可以直接达到纳秒级的计时精度（在1ghz的cpu上每个时钟周期就是一纳秒），这是其他计时方法所难以企及的。
2.成本低。timegettime 函数需要链接多媒体库winmm.lib，queryperformance* 函数根据msdn的说明，需要硬件的支持（虽然我还没有见过不支持的机器）和kernel库的支持，所以二者都只能在windows平台下使用（关于dos平台下的高精度计时问题，可以参考《图形程序开发人员指南》，里面有关于控制定时器8253的详细说明）。但rdtsc指令是一条cpu指令，凡是i386平台下pentium以上的机器均支持，甚至没有平台的限制（我相信i386版本unix和linux下这个方法同样适用，但没有条件试验），而且函数调用的开销是最小的。
3.具有和cpu主频直接对应的速率关系。一个计数相当于1/(cpu主频hz数)秒，这样只要知道了cpu的主频，可以直接计算出时间。这和queryperformancecount不同，后者需要通过queryperformancefrequency获取当前计数器每秒的计数次数才能换算成时间。

这个方法的缺点是：
1.现有的c/c++编译器多数不直接支持使用rdtsc指令，需要用直接嵌入机器码的方式编程，比较麻烦。
2.数据抖动比较厉害。其实对任何计量手段而言，精度和稳定性永远是一对矛盾。如果用低精度的timegettime来计时，基本上每次计时的结果都是相同的；而rdtsc指令每次结果都不一样，经常有几百甚至上千的差距。这是这种方法高精度本身固有的矛盾。

关于这个方法计时的最大长度，我们可以简单的用下列公式计算：

自cpu上电以来的秒数 = rdtsc读出的周期数 / cpu主频速率（hz）

64位无符号整数所能表达的最大数字是1.8×10^19，在我的celeron 800上可以计时大约700年（书中说可以在200mhz的pentium上计时117年，这个数字不知道是怎么得出来的，与我的计算有出入）。无论如何，我们大可不必关心溢出的问题。

下面是几个小例子，简要比较了三种计时方法的用法与精度
//timer1.cpp 使用了rdtsc指令的timer类//ktimer类的定义可以参见《windows图形编程》p15
//编译行：cl timer1.cpp /link user32.lib
#include
#include "ktimer.h"
main()
{
unsigned t;
ktimer timer;
timer.start();
sleep(1000);
t = timer.stop();
printf("lasting time: %d\n",t);
}

//timer2.cpp 使用了timegettime函数
//需包含，但由于windows头文件错综复杂的关系
//简单包含比较偷懒：）
//编译行：cl timer2.cpp /link winmm.lib
#include
#include

main()
{
dword t1, t2;
t1 = timegettime();
sleep(1000);
t2 = timegettime();
printf("begin time: %u\n", t1);
printf("end time: %u\n", t2);
printf("lasting time: %u\n",(t2-t1));
}

//timer3.cpp 使用了queryperformancecounter函数
//编译行：cl timer3.cpp /link kernel32.lib
#include
#include

main()
{
large_integer t1, t2, tc;
queryperformancefrequency(&tc);
printf("frequency: %u\n", tc.quadpart);
queryperformancecounter(&t1);
sleep(1000);
queryperformancecounter(&t2);
printf("begin time: %u\n", t1.quadpart);
printf("end time: %u\n", t2.quadpart);
printf("lasting time: %u\n",( t2.quadpart- t1.quadpart));
}

////////////////////////////////////////////////
//以上三个示例程序都是测试1秒钟休眠所耗费的时间
file://测试环境：celeron 800mhz / 256m sdram
// windows 2000 professional sp2
// microsoft visual c++ 6.0 sp5
////////////////////////////////////////////////
以下是timer1的运行结果，使用的是高精度的rdtsc指令
lasting time: 804586872

以下是timer2的运行结果，使用的是最粗糙的timegettime api
begin time: 20254254
end time: 20255255
lasting time: 1001

以下是timer3的运行结果，使用的是queryperformancecount api
frequency: 3579545
begin time: 3804729124
end time: 3808298836
lasting time: 3569712