Posted on 2010-11-03 14:15
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02 編程語言
對(duì)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(duì)不同的算法作出有說服力的性能比較。
在Windows平臺(tái)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(jí)的計(jì)時(shí)。但這個(gè)精度對(duì)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(jí)的計(jì)數(shù)。對(duì)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(cè)。本文僅僅作拋磚之用。
在Intel Pentium以上級(jí)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(hào)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(jí)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(duì)中。由于EDX:EAX寄存器對(duì)恰好是Win32平臺(tái)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(duì)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(duì)那些確實(shí)要精確到納秒數(shù)量級(jí)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(jí)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(tái)下使用（關(guān)于DOS平臺(tái)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(tái)下Pentium以上的機(jī)器均支持，甚至沒有平臺(tái)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(duì)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(duì)任何計(jì)量手段而言，精度和穩(wěn)定性永遠(yuǎn)是一對(duì)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(hào)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