gettimeofday() 是否保证具有微秒级分辨率？

Question

我正在将一个最初为 Win32 API 编写的游戏移植到 Linux（嗯，将 Win32 端口的 OS X 端口移植到 Linux）。

自流程启动以来，我通过提供 uSeconds 来实现QueryPerformanceCounter ：

BOOL QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER* performanceCount)
{
    gettimeofday(&currentTimeVal, NULL);
    performanceCount->QuadPart = (currentTimeVal.tv_sec - startTimeVal.tv_sec);
    performanceCount->QuadPart *= (1000 * 1000);
    performanceCount->QuadPart += (currentTimeVal.tv_usec - startTimeVal.tv_usec);

    return true;
}

这，再加上QueryPerformanceFrequency()给出一个常数 1000000 作为频率，在我的机器上运行良好，给我一个 64 位变量，其中包含自程序启动以来的uSeconds 。

那么这款便携吗？ 如果内核以某种方式或类似方式编译，我不想发现它的工作方式不同。 但是，我认为它不可移植到 Linux 以外的其他东西。

Answer 1

也许。 但是你有更大的问题。 如果系统上有更改计时器的进程（即 ntpd），则gettimeofday()可能会导致计时不正确。 不过，在“普通”Linux 上，我相信gettimeofday()的分辨率是 10us。 因此，它可以根据系统上运行的进程向前、向后和时间跳跃。 这有效地回答了您的问题。

您应该查看clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)以获取时间间隔。 由于多核系统和外部时钟设置等问题，它遇到的问题较少。

另外，查看clock_getres()函数。

Answer 2

英特尔处理器的高分辨率、低开销时序

如果您使用的是 Intel 硬件，以下是读取 CPU 实时指令计数器的方法。 它会告诉您自处理器启动以来执行的 CPU 周期数。 这可能是您可以获得的用于性能测量的最细粒度的计数器。

请注意，这是 CPU 周期数。 在 linux 上，您可以从 /proc/cpuinfo 获取 CPU 速度并除以获取秒数。 将其转换为 double 非常方便。

当我在我的盒子上运行这个时，我得到

11867927879484732
11867927879692217
it took this long to call printf: 207485

这是英特尔开发人员指南，提供了大量细节。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

inline uint64_t rdtsc() {
    uint32_t lo, hi;
    __asm__ __volatile__ (
      "xorl %%eax, %%eax\n"
      "cpuid\n"
      "rdtsc\n"
      : "=a" (lo), "=d" (hi)
      :
      : "%ebx", "%ecx");
    return (uint64_t)hi << 32 | lo;
}

main()
{
    unsigned long long x;
    unsigned long long y;
    x = rdtsc();
    printf("%lld\n",x);
    y = rdtsc();
    printf("%lld\n",y);
    printf("it took this long to call printf: %lld\n",y-x);
}

Answer 3

@伯纳德：

我不得不承认，你的大部分例子都直接在我脑海中浮现。 它确实可以编译，而且似乎可以工作。 这对 SMP 系统或 SpeedStep 是否安全？

这是个好问题...我认为代码没问题。 从实际的角度来看，我们每天都在我的公司中使用它，并且我们在非常广泛的机器上运行，从 2 到 8 个内核。 当然，YMMV 等，但它似乎是一种可靠且低开销（因为它不会将上下文切换到系统空间）的计时方法。

一般它是如何工作的：

• 将代码块声明为汇编程序（并且是可变的，因此优化器将不理会它）。
• 执行 CPUID 指令。 除了获取一些 CPU 信息（我们不做任何处理）之外，它还同步 CPU 的执行缓冲区，以便时序不受乱序执行的影响。
• 执行 rdtsc（读取时间戳）执行。 这获取自处理器复位以来执行的机器周期数。 这是一个 64 位值，因此以当前的 CPU 速度，它将每 194 年左右循环一次。 有趣的是，在最初的 Pentium 参考资料中，他们指出它每 5800 年左右就会环绕一次。
• 最后几行将寄存器中的值存储到变量 hi 和 lo 中，并将其放入 64 位返回值中。

具体注意事项：

• 乱序执行会导致不正确的结果，因此我们执行“cpuid”指令，该指令除了为您提供有关 cpu 的一些信息外，还会同步任何乱序指令的执行。

• 大多数操作系统在启动时都会同步 CPU 上的计数器，因此答案是在几纳秒内。

• 休眠的评论可能是正确的，但实际上您可能并不关心跨越休眠边界的时间。

• 关于 speedstep：较新的 Intel CPU 补偿速度变化并返回调整后的计数。 我快速扫描了我们网络上的一些机器，发现只有一个没有它：运行一些旧数据库服务器的奔腾 3。 （这些是 linux 盒子，所以我检查了：grep constant_tsc /proc/cpuinfo）

• 我不确定 AMD CPU，我们主要是一家英特尔商店，尽管我知道我们的一些低级系统专家进行了 AMD 评估。

希望这能满足您的好奇心，这是一个有趣且（恕我直言）研究不足的编程领域。 您知道 Jeff 和 Joel 讨论程序员是否应该了解 C 的时候吗？ 我对他们大喊大叫，“嘿，忘记那些高级 C 的东西……如果你想知道计算机在做什么，你应该学习汇编！”

Answer 4

您可能对clock_gettime(CLOCK_REALTIME) Linux 常见问题感兴趣

Answer 5

Wine 实际上是使用 gettimeofday() 来实现 QueryPerformanceCounter() 并且众所周知，它可以使许多 Windows 游戏在 Linux 和 Mac 上运行。

启动http://source.winehq.org/source/dlls/kernel32/cpu.c#L312

导致http://source.winehq.org/source/dlls/ntdll/time.c#L448

Answer 6

所以它明确表示微秒，但表示系统时钟的分辨率未指定。 我想在这种情况下的分辨率意味着它将如何增加最小的数量？

数据结构被定义为以微秒为测量单位，但这并不意味着时钟或操作系统实际上能够精确测量。

就像其他人建议的那样， gettimeofday()很糟糕，因为设置时间会导致时钟偏差并影响您的计算。 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)是您想要的， clock_getres()会告诉您时钟的精度。

Answer 7

gettimeofday() 的实际分辨率取决于硬件架构。 Intel 处理器和 SPARC 机器提供测量微秒的高分辨率计时器。 其他硬件架构回退到系统的定时器，通常设置为 100 Hz。 在这种情况下，时间分辨率将不太准确。

我从高分辨率时间测量和计时器，第一部分获得了这个答案

Answer 8

这个答案提到了调整时钟的问题。 保证刻度单位的问题和调整时间的问题都在 C++11 中用<chrono>库解决。

时钟std::chrono::steady_clock保证不会被调整，而且它会相对于实时以恒定的速率前进，所以像 SpeedStep 这样的技术一定不会影响它。

您可以通过转换为std::chrono::duration之一来获得类型安全单位，例如std::chrono::microseconds 。 对于这种类型，刻度值使用的单位没有歧义。 但是，请记住，时钟不一定具有此分辨率。 您可以将持续时间转换为阿秒，而实际上没有那么准确的时钟。

Answer 9

根据我的经验，以及我在互联网上阅读的内容，答案是“不”，并不能保证。 这取决于 CPU 速度、操作系统、Linux 风格等。

Answer 10

在 SMP 系统中读取 RDTSC 是不可靠的，因为每个 CPU 都维护自己的计数器，并且不能保证每个计数器与另一个 CPU 同步。

我可能会建议尝试clock_gettime(CLOCK_REALTIME) 。 posix 手册指出这应该在所有兼容系统上实施。 它可以提供纳秒计数，但您可能需要检查系统上的clock_getres(CLOCK_REALTIME)以查看实际分辨率。