Вычислениe времени выполнения участка кода на Си/C++. Часть 2: функция clock_gettime

Некоторое время назад мне понадобилось измерить время работы одного алгоритма, и я нашел быстрое решение для этого: Вычислениe времени выполнения участка кода на Си/C++. Дальнейшее исследование показало, что способ этот отнюдь не идеален.

Метод измерения времени

Итак, есть два основных типа измерение времени работы программы: измерение процессорного времени, то есть времени, которое процессор фактически потратил на выполнение заданного кода, и измерение так называемого wall-clock time - времени, которое реально прошло от старта программы до окончания ее работы. Основная разница между этими двумя измерениями заключается в том, что про измерении wall-clock time учитывается также время, которое процессор потратил на обработку других процессов. Соответственно, при разной загрузке системы, wall-clock time может отличаться для одного и того же кода. Также при наличии, например, записи в файл, время записи тоже будет включено в wall-clock time.  Поэтому при измерении времени работы алгоритмов (а именно для этого я использую измерение времени), предпочтительнее смотреть именно на процессорное время.

Wall-clock time

В случае, если все-таки необходимо использовать wall-clock time (например, в случае профайлинга операций, включающих запись на носитель, или сетевое взаимодействие), использованная мной раньше функция gettimeofday() тоже плохо подходит по следующим причинам:

• gettimeofday() использует приблизительное время, рассчитанное исходя из последнего замера системного времени. На примере это можно показать так: я смотрю на часы, они показывают 10:03. Примерно через 40 минут вы спрашиваете у меня, сколько сейчас времени, и я отвечаю: "примерно 10:43". Потом я опять смотрю на часы, а на часах еще 10:37. Вы снова спрашиваете меня через минуту: "а сейчас сколько времени", на что я отвечаю: "10:38". Получается, что в реальном мире прошла минута, а по вашим замерам время ушло назад на 5 минут (10:43 - 10:38). Такие вещи могут случаться, если последовательно использовать gettimeofday() для рассчета временных интервалов. 
•  gettimeofday() может возвращать неравномерно возрастающее время, например, если реализация NTP изменяет время системы. Хотя современные реализации NTP не изменют системное время скачкообразно, но они могу заставлять его изменяться быстрее или медленнее, чтоб сократить разницу. 
• Так же другой процесс может изменить системное время, с помощью, например, функции settimeofday(). Таким образом, время с точки зрения функции gettimeofday() будет изменяться даже не монотонно, а скачком.

Для получения wall-clock time в POSIX системах рекомендуется использовать функцию clock_gettime(), которой в качестве параметра можно указать id таймера, с помощью которого вы собираетесь замерять время. В частности, можно передать CLOCK_REALTIME и получить те же измерения, что и для gettimeofday(). Если передать CLOCK_MONOTONIC, то функция вернет время, возрастающее монотонно, однако все же подверженное изменеиям со стороны реализации NTP, то есть возрастающее не равномерно. Можно также передать CLOCK_MONOTONIC_RAW - вот тогда время будет возрастать монотонно и равномерно. Для не-POSIX систем в стандарте С++11, например, есть библиотека  std::chrono::high_resolution_clock.

Измерение процессорного времени

Я нашел два основных метода измерения процессорного времени (я искал для Linux).

• clock() - для всех платформ;
• уже упомянутая clock_gettime() с параметрами CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID или CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID в параметрах - для POSIX.

Функция clock() измеряет процессорное время, не зависит от платформы, но при этом имеет меньшее разрешение, нежели clock_gettime(), как указано, например, здесь и подтверждается экспериментами.
Итак, если нужно измерить процессорное время на POSIX системе (а это именно мой случай), то рекомендуется использовать функцию clock_gettime() с параметром CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID для измерения времени для текущего процесса или с параметром CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID - для измерения времени для текущего потока.  Ну и в заключение, как использовать clock_gettime():

#include <sys/time.h>

#include <time.h>

#define NS_IN_S  1E9

int main()
{
    struct timespec start, stop, duration;

    clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);

    //Код, время выполнения которого нужно измерить

    clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &stop);

    //Вычисления длительности в виде timespec
    if ((stop.tv_nsec - start.tv_nsec) < 0) 
    {
        duration.tv_sec = stop.tv_sec - start.tv_sec - 1;
        duration.tv_nsec = NS_IN_S + stop.tv_nsec - start.tv_nsec;
    } 
    else 
    {
        duration.tv_sec = stop.tv_sec - start.tv_sec;
        duration.tv_nsec = stop.tv_nsec - start.tv_nsec;
    }

    //Если нужен результат в секундах 
    double result = duration.tv_sec + duration.tv_nsec / NS_IN_S;

    return 0;
}