如何计算函数的执行时间？
关于时间的文章，大家可以参考我之前的一篇文章《C语言操作时间函数，实现定时执行某个任务小程序》
0、问题描述
粉丝想计算一个函数的执行时间。
一、问题分析
函数的执行时间的统计在嵌入式系统中会被频繁的用到，知识点很重要。本文从两个方面来讨论类似的问题：
- 程序内计算一个函数的执行时间
- 计算一个程序的执行时间
二、程序内如何计算一个函数的执行时间?
1. 思路
我们在执行函数前后分别记录下时间戳，然后计算两个时间戳的差值即可。
我们需要借助函数clock_gettime来实现这个功能。看下该函数的定义：
- #include
- int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec* tp);
- 可以根据需要，获取不同要求的精确时间
- 参数：
- clk_id :
- 检索和设置的clk_id指定的时钟时间。
- CLOCK_REALTIME:系统实时时间,随系统实时时间改变而改变,即从UTC1970-1-1 0:0:0开始计时,中间时刻如果系统时间被用户改成其他,则对应的时间相应改变
- CLOCK_MONOTONIC:从系统启动这一刻起开始计时,不受系统时间被用户改变的影响
- CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID:本进程到当前代码系统CPU花费的时间
- CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID:本线程到当前代码系统CPU花费的时间
- tp :
- 获取的时间戳会存放到该结构体变量中
- struct timespec
- {
- time_t tv_sec; /* 秒*/
- long tv_nsec; /* 纳秒*/
- };
- 返回值：
- 成功 0
- 失败 -1 ，同时errno会被赋值
因为我们希望计算执行某个函数的时间，所以我们第一个参数选择CLOCK_MONOTONIC。
2. 实例1
我们先来实现一个简单的程序：
- 1 #include
- 2 #include
- 3 #include
- 4 #include
- 5 #include
- 6 #include
- 7 #include
- 8 #include
- 9 #include
- 10
- 11 int main()
- 12 {
- 13 int rc;
- 14 struct timespec ts_start, ts_end;
- 15
- 16 //start time before call function
- 17 rc = clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts_start);
- 18
- 19 printf("you can call your function here\n");
- 20
- 21 //end time before call function
- 22 rc = clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts_end);
- 23
- 24 printf("CLOCK_MONOTONIC reports %ld.%09ld seconds\n",
- 25 ts_end.tv_sec - ts_start.tv_sec, ts_end.tv_nsec - ts_start.tv_nsec);
- 26 }
19行 我们可以将自己要执行的函数放置在此处。
编译
- gcc runtime.c -lrt
注意需要增加动态链接库lrt，函数clock_gettime()定义于该库中。
执行结果如下：
- root@ubuntu:/home/peng/zhh# ./a.out
- you can call your function here
- CLOCK_MONOTONIC reports 0.000013689 seconds
3. 实例2-更完善的一个例子
第一个实例比较简单，实际在应用中，尤其是在网络通信中，经常需要计算收发数据包的总共时间，以网络的速率。现在我们增加功能如下：
- 检查执行函数前后的时间戳合法性，因为有时候记录的时间会比较长，会有数据溢出等问题
- 循环累加总共执行时间，计算总共执行时间，然后根据执行次数计算平均执行时间
a) 检查时间合法性
timespec_check()
- static int timespec_check(struct timespec *t)
- {
- if((t->tv_nsec <0 ) || (t->tv_nsec >= 1000000000))
- return -1;
- return 0;
- }
- 功能：
- 该函数检查时间戳的成员tv_nsec，该值不能小于0，也不能大于1000000000
- 参数：
- t 时间戳
- 返回值
- 成功返回 0
- 非法返回-1
timespec_sub()
- static void timespec_sub(struct timespec *t1, struct timespec *t2)
- {
- if (timespec_check(t1) < 0) {
- fprintf(stderr, "invalid time #1: %lld.%.9ld.\n",
- (long long) t1->tv_sec,t1->tv_nsec);
- return;
- }
- if (timespec_check(t2) < 0) {
- fprintf(stderr, "invalid time #2: %lld.%.9ld.\n",
- (long long) t2->tv_sec,t2->tv_nsec);
- return;
- }
- t1->tv_sec -= t2->tv_sec;
- t1->tv_nsec -= t2->tv_nsec;
- if (t1->tv_nsec >= 1000000000)
- {//tv_nsec 超过1000000000，秒需要加1
- t1->tv_sec++;
- t1->tv_nsec -= 1000000000;
- }
- else if (t1->tv_nsec < 0)
- {//tv_nsec 小于0，秒需要减1
- t1->tv_sec--;
- t1->tv_nsec += 1000000000;
- }
- }
- 功能：
- 该函数首先检查参数t1、t2合法性，然后用t1的时间减去t2的时间，并把结果存放到t1
- 参数：
- t1:对应函数执行执行结束的时间
- t2:对应函数执行之前的时间
- 返回值:
- 无
b) 实现
- 1 #include
- 2 #include
- 3 #include
- 4 #include
- 5 #include
- 6 #include
- 7 #include
- 8 #include
- 9 #include
- 10
- 11
- 12 static int timespec_check(struct timespec *t)
- 13 {
- 14 if((t->tv_nsec <0 ) || (t->tv_nsec >= 1000000000))
- 15 return -1;
- 16
- 17 return 0;
- 18 }
- 19
- 20 static void timespec_sub(struct timespec *t1, struct timespec *t2)
- 21 {
- 22 if (timespec_check(t1) < 0) {
- 23 fprintf(stderr, "invalid time #1: %lld.%.9ld.\n",
- 24 (long long) t1->tv_sec,t1->tv_nsec);
- 25 return;
- 26 }
- 27 if (timespec_check(t2) < 0) {
- 28 fprintf(stderr, "invalid time #2: %lld.%.9ld.\n",
- 29 (long long) t2->tv_sec,t2->tv_nsec);
- 30 return;
- 31 }
- 32
- 33 t1->tv_sec -= t2->tv_sec;
- 34 t1->tv_nsec -= t2->tv_nsec;
- 35 if (t1->tv_nsec >= 1000000000)
- 36 {
- 37 t1->tv_sec++;
- 38 t1->tv_nsec -= 1000000000;
- 39 }
- 40 else if (t1->tv_nsec < 0)
- 41 {
- 42 t1->tv_sec--;
- 43 t1->tv_nsec += 1000000000;
- 44 }
- 45 }
- 46
- 47 int main()
- 48 {
- 49 int rc;
- 50 int count = 10;
- 51 long t_time_n = 0; //nano secend
- 52 long t_time_s = 0; //secnd
- 53 struct timespec ts_start, ts_end;
- 54
- 55
- 56 while (count--) {
- 57
- 58 rc = clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts_start);
- 59 usleep(200);
- 60
- 61 rc = clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts_end);
- 62
- 63 timespec_sub(&ts_end, &ts_start);
- 64 t_time_n += ts_end.tv_nsec;
- 65 t_time_s += ts_end.tv_sec;
- 66
- 67 #if 0
- 68 printf("CLOCK_MONOTONIC reports %ld.%09ld seconds\n",
- 69 ts_end.tv_sec, ts_end.tv_nsec);
- 70 #endif
- 71 }
- 72 printf("** Total time %lds + %ld nsec\n",t_time_s,t_time_n);
- 73 }
编译执行如下：
- root@ubuntu:/home/peng/zhh# ./a.out
- ** Total time 0s + 9636103 nsec
三、计算程序的执行时间
有时候我们还想知道执行某个程序需要多少时间，我们可以借助命令time。
1. 命令time
Linux time命令的用途，在于量测特定指令执行时所需消耗的时间及系统资源等信息。
CPU资源的统计包括实际使用时间(real time)、用户态使用时间(the process spent in user mode)、内核态使用时间(the process spent in kernel mode)。
2. 语法
- time [options] COMMAND [arguments]
3. 例1
- 1. root@ubuntu:/home/peng/zhh# time date
- 2. Tue Feb 23 03:44:27 PST 2021
- 3.
- 4. real 0m0.001s
- 5. user 0m0.000s
- 6. sys 0m0.000s
- 在以上实例中，执行命令"time date"(见第1行)。
- 系统先执行命令"date"，第2行为命令"date"的执行结果。
- 第3-6行为执行命令"date"的时间统计结果，其中第4行"real"为实际时间，第5行"user"为用户CPU时间，第6行"sys"为系统CPU时间。以上三种时间的显示格式均为MMmNN[.FFF]s。
4. 例2
我们也可以测试上一章我们编写的程序：
- root@ubuntu:/home/peng/zhh# time ./a.out
- ** Total time 0s + 9649603 nsec, avg_time = -9649603.000000
- real 0m0.010s
- user 0m0.000s
- sys 0m0.000s
下面我们将59行代码中的usleep(200)修改成sleep(1) 重新编译执行，10秒后会打印如下执行结果：
- root@ubuntu:/home/peng/zhh# time ./a.out
- ** Total time 10s + 8178015 nsec
- real 0m10.009s
- user 0m0.000s
- sys 0m0.000s
结果和预期基本一致。
大家可以根据我的代码，方便的将该功能移植到自己的项目中。
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