呵呵 隨手記一下，大家不要罵我
#include? <mmsystem.h>
#pragma comment(lib,"winmm.lib")
timegettime的標(biāo)稱是毫秒級別
但是實(shí)際上只能精確到50毫秒
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使用CPU時(shí)間戳進(jìn)行高精度計(jì)時(shí)
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| 2003-3-27 13:14:11?? GAMERES?? zhangyan_qd?? 閱讀次數(shù):?6609 |
對關(guān)注性能的程序開發(fā)人員而言，一個(gè)好的計(jì)時(shí)部件既是益友，也是良師。計(jì)時(shí)器既可以作為程序組件幫助程序員精確的控制程序進(jìn)程，又是一件有力的調(diào)試武器，在有經(jīng)驗(yàn)的程序員手里可以盡快的確定程序的性能瓶頸，或者對不同的算法作出有說服力的性能比較。
在Windows平臺下，常用的計(jì)時(shí)器有兩種，一種是timeGetTime多媒體計(jì)時(shí)器，它可以提供毫秒級的計(jì)時(shí)。但這個(gè)精度對很多應(yīng)用場合而言還是太粗糙了。另一種是QueryPerformanceCount計(jì)數(shù)器，隨系統(tǒng)的不同可以提供微秒級的計(jì)數(shù)。對于實(shí)時(shí)圖形處理、多媒體數(shù)據(jù)流處理、或者實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)造的程序員，善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一項(xiàng)基本功。
本文要介紹的，是另一種直接利用Pentium?CPU內(nèi)部時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)時(shí)的高精度計(jì)時(shí)手段。以下討論主要得益于《Windows圖形編程》一書，第15頁－17頁，有興趣的讀者可以直接參考該書。關(guān)于RDTSC指令的詳細(xì)討論，可以參考Intel產(chǎn)品手冊。本文僅僅作拋磚之用。
在Intel?Pentium以上級別的CPU中，有一個(gè)稱為“時(shí)間戳（Time?Stamp）”的部件，它以64位無符號整型數(shù)的格式，記錄了自CPU上電以來所經(jīng)過的時(shí)鐘周期數(shù)。由于目前的CPU主頻都非常高，因此這個(gè)部件可以達(dá)到納秒級的計(jì)時(shí)精度。這個(gè)精確性是上述兩種方法所無法比擬的。
在Pentium以上的CPU中，提供了一條機(jī)器指令RDTSC（Read?Time?Stamp?Counter）來讀取這個(gè)時(shí)間戳的數(shù)字，并將其保存在EDX:EAX寄存器對中。由于EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平臺下C++語言保存函數(shù)返回值的寄存器，所以我們可以把這條指令看成是一個(gè)普通的函數(shù)調(diào)用。像這樣：
inline?unsigned?__int64?GetCycleCount()
{
?__asm?RDTSC
}
但是不行，因?yàn)镽DTSC不被C++的內(nèi)嵌匯編器直接支持，所以我們要用_emit偽指令直接嵌入該指令的機(jī)器碼形式0X0F、0X31，如下：
inline?unsigned?__int64?GetCycleCount()
{
?__asm?_emit?0x0F
?__asm?_emit?0x31
}
以后在需要計(jì)數(shù)器的場合，可以像使用普通的Win32?API一樣，調(diào)用兩次GetCycleCount函數(shù)，比較兩個(gè)返回值的差，像這樣：
unsigned?long?t;
t?=?(unsigned?long)GetCycleCount();
//Do?Something?time-intensive?...
t?-=?(unsigned?long)GetCycleCount();
《Windows圖形編程》第15頁編寫了一個(gè)類，把這個(gè)計(jì)數(shù)器封裝起來。有興趣的讀者可以去參考那個(gè)類的代碼。作者為了更精確的定時(shí)，做了一點(diǎn)小小的改進(jìn)，把執(zhí)行RDTSC指令的時(shí)間，通過連續(xù)兩次調(diào)用GetCycleCount函數(shù)計(jì)算出來并保存了起來，以后每次計(jì)時(shí)結(jié)束后，都從實(shí)際得到的計(jì)數(shù)中減掉這一小段時(shí)間，以得到更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)數(shù)字。但我個(gè)人覺得這一點(diǎn)點(diǎn)改進(jìn)意義不大。在我的機(jī)器上實(shí)測，這條指令大概花掉了幾十到100多個(gè)周期，在Celeron?800MHz的機(jī)器上，這不過是十分之一微秒的時(shí)間。對大多數(shù)應(yīng)用來說，這點(diǎn)時(shí)間完全可以忽略不計(jì)；而對那些確實(shí)要精確到納秒數(shù)量級的應(yīng)用來說，這個(gè)補(bǔ)償也過于粗糙了。
這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是：
1.高精度。可以直接達(dá)到納秒級的計(jì)時(shí)精度（在1GHz的CPU上每個(gè)時(shí)鐘周期就是一納秒），這是其他計(jì)時(shí)方法所難以企及的。
2.成本低。timeGetTime?函數(shù)需要鏈接多媒體庫winmm.lib，QueryPerformance*?函數(shù)根據(jù)MSDN的說明，需要硬件的支持（雖然我還沒有見過不支持的機(jī)器）和KERNEL庫的支持，所以二者都只能在Windows平臺下使用（關(guān)于DOS平臺下的高精度計(jì)時(shí)問題，可以參考《圖形程序開發(fā)人員指南》，里面有關(guān)于控制定時(shí)器8253的詳細(xì)說明）。但RDTSC指令是一條CPU指令，凡是i386平臺下Pentium以上的機(jī)器均支持，甚至沒有平臺的限制（我相信i386版本UNIX和Linux下這個(gè)方法同樣適用，但沒有條件試驗(yàn)），而且函數(shù)調(diào)用的開銷是最小的。
3.具有和CPU主頻直接對應(yīng)的速率關(guān)系。一個(gè)計(jì)數(shù)相當(dāng)于1/(CPU主頻Hz數(shù))秒，這樣只要知道了CPU的主頻，可以直接計(jì)算出時(shí)間。這和QueryPerformanceCount不同，后者需要通過QueryPerformanceFrequency獲取當(dāng)前計(jì)數(shù)器每秒的計(jì)數(shù)次數(shù)才能換算成時(shí)間。
這個(gè)方法的缺點(diǎn)是：
1.現(xiàn)有的C/C++編譯器多數(shù)不直接支持使用RDTSC指令，需要用直接嵌入機(jī)器碼的方式編程，比較麻煩。
2.數(shù)據(jù)抖動(dòng)比較厲害。其實(shí)對任何計(jì)量手段而言，精度和穩(wěn)定性永遠(yuǎn)是一對矛盾。如果用低精度的timeGetTime來計(jì)時(shí)，基本上每次計(jì)時(shí)的結(jié)果都是相同的；而RDTSC指令每次結(jié)果都不一樣，經(jīng)常有幾百甚至上千的差距。這是這種方法高精度本身固有的矛盾。
關(guān)于這個(gè)方法計(jì)時(shí)的最大長度，我們可以簡單的用下列公式計(jì)算：
自CPU上電以來的秒數(shù)?=?RDTSC讀出的周期數(shù)?/?CPU主頻速率（Hz）
64位無符號整數(shù)所能表達(dá)的最大數(shù)字是1.8×10^19，在我的Celeron?800上可以計(jì)時(shí)大約700年（書中說可以在200MHz的Pentium上計(jì)時(shí)117年，這個(gè)數(shù)字不知道是怎么得出來的，與我的計(jì)算有出入）。無論如何，我們大可不必關(guān)心溢出的問題。
下面是幾個(gè)小例子，簡要比較了三種計(jì)時(shí)方法的用法與精度
//Timer1.cpp?使用了RDTSC指令的Timer類//KTimer類的定義可以參見《Windows圖形編程》P15
//編譯行：CL?Timer1.cpp?/link?USER32.lib
#include?<stdio.h>
#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函數(shù)
//需包含<mmsys.h>，但由于Windows頭文件錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系
//簡單包含<windows.h>比較偷懶：）
//編譯行：CL?timer2.cpp?/link?winmm.lib?
#include?<windows.h>
#include?<stdio.h>
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函數(shù)
//編譯行：CL?timer3.cpp?/link?KERNEl32.lib
#include?<windows.h>
#include?<stdio.h>
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));
}
////////////////////////////////////////////////
//以上三個(gè)示例程序都是測試1秒鐘休眠所耗費(fèi)的時(shí)間
file://測/試環(huán)境：Celeron?800MHz?/?256M?SDRAM??
//??????????Windows?2000?Professional?SP2
//??????????Microsoft?Visual?C++?6.0?SP5
////////////////////////////////////////////////
以下是Timer1的運(yùn)行結(jié)果，使用的是高精度的RDTSC指令
Lasting?Time:?804586872
以下是Timer2的運(yùn)行結(jié)果，使用的是最粗糙的timeGetTime?API
Begin?Time:?20254254
End?Time:?20255255
Lasting?Time:?1001
以下是Timer3的運(yùn)行結(jié)果，使用的是QueryPerformanceCount?API
Frequency:?3579545
Begin?Time:?3804729124
End?Time:?3808298836
Lasting?Time:?3569712
參考資料：
[YUAN?2002]Feng?Yuan?著，英宇工作室?譯，Windows圖形編程，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.4.，P15-17
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