如何計算函數的執行時間？

作者：土豆居士 2021-02-24 11:44:35

開發后端

函數的執行時間的統計在嵌入式系統中會被頻繁的用到，知識點很重要，本文從程序內計算一個函數的執行時間，計算一個程序的執行時間兩個方面來討論類似的問題。

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關于時間的文章，大家可以參考我之前的一篇文章《C語言操作時間函數，實現定時執行某個任務小程序》

0、問題描述

粉絲想計算一個函數的執行時間。

一、問題分析

函數的執行時間的統計在嵌入式系統中會被頻繁的用到，知識點很重要。本文從兩個方面來討論類似的問題：

程序內計算一個函數的執行時間
計算一個程序的執行時間

二、程序內如何計算一個函數的執行時間?

1. 思路

我們在執行函數前后分別記錄下時間戳，然后計算兩個時間戳的差值即可。

我們需要借助函數clock_gettime來實現這個功能。看下該函數的定義：

#include <time.h> 
 
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec* tp); 
 
可以根據需要，獲取不同要求的精確時間 
 
參數： 
clk_id :  
 檢索和設置的clk_id指定的時鐘時間。 
 CLOCK_REALTIME:系統實時時間,隨系統實時時間改變而改變,即從UTC1970-1-1 0:0:0開始計時,中間時刻如果系統時間被用戶改成其他,則對應的時間相應改變 
  CLOCK_MONOTONIC:從系統啟動這一刻起開始計時,不受系統時間被用戶改變的影響 
  CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID:本進程到當前代碼系統CPU花費的時間 
  CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID:本線程到當前代碼系統CPU花費的時間 
tp :  
 獲取的時間戳會存放到該結構體變量中 
 struct timespec 
 { 
         time_t tv_sec; /* 秒*/ 
         long tv_nsec; /* 納秒*/ 
 }; 
返回值： 
 成功  0 
 失敗 -1  ，同時errno會被賦值

因為我們希望計算執行某個函數的時間，所以我們第一個參數選擇CLOCK_MONOTONIC。

2. 實例1

我們先來實現一個簡單的程序：

 1 #include <stdio.h>                                                                
 2 #include <stdlib.h> 
 3 #include <stdint.h> 
 4 #include <time.h> 
 5 #include <sys/time.h> 
 6 #include <sys/stat.h> 
 7 #include <sys/types.h> 
 8 #include <unistd.h> 
 9 #include <string.h> 
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行我們可以將自己要執行的函數放置在此處。

編譯

gcc runtime.c -lrt

注意需要增加動態鏈接庫lrt，函數clock_gettime()定義于該庫中。

執行結果如下：

root@ubuntu:/home/peng/zhh# ./a.out  
you can call your function here 
CLOCK_MONOTONIC reports 0.000013689 seconds

3. 實例2-更完善的一個例子

第一個實例比較簡單，實際在應用中，尤其是在網絡通信中，經常需要計算收發數據包的總共時間，以網絡的速率。現在我們增加功能如下：

檢查執行函數前后的時間戳合法性，因為有時候記錄的時間會比較長，會有數據溢出等問題
循環累加總共執行時間，計算總共執行時間，然后根據執行次數計算平均執行時間

a) 檢查時間合法性

timespec_check()

static int timespec_check(struct timespec *t) 
{ 
 if((t->tv_nsec <0 ) || (t->tv_nsec >= 1000000000)) 
  return -1; 
 
 return 0; 
} 
功能： 
 該函數檢查時間戳的成員tv_nsec，該值不能小于0，也不能大于1000000000 
參數： 
 t 時間戳 
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 超過1000000000，秒需要加1 
  t1->tv_sec++; 
  t1->tv_nsec -= 1000000000; 
 } 
 else if (t1->tv_nsec < 0) 
 {//tv_nsec 小于0，秒需要減1 
  t1->tv_sec--; 
  t1->tv_nsec += 1000000000; 
 } 
} 
功能： 
 該函數首先檢查參數t1、t2合法性，然后用t1的時間減去t2的時間，并把結果存放到t1 
參數： 
 t1:對應函數執行執行結束的時間 
 t2:對應函數執行之前的時間 
返回值: 
 無

b) 實現

 1 #include <stdio.h>  
 2 #include <stdlib.h> 
 3 #include <stdint.h> 
 4 #include <time.h> 
 5 #include <sys/time.h> 
 6 #include <sys/stat.h> 
 7 #include <sys/types.h> 
 8 #include <unistd.h> 
 9 #include <string.h> 
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 }

編譯執行如下：

root@ubuntu:/home/peng/zhh# ./a.out  
** Total time 0s + 9636103 nsec

三、計算程序的執行時間

有時候我們還想知道執行某個程序需要多少時間，我們可以借助命令time。

1. 命令time

Linux time命令的用途，在于量測特定指令執行時所需消耗的時間及系統資源等信息。

CPU資源的統計包括實際使用時間(real time)、用戶態使用時間(the process spent in user mode)、內核態使用時間(the process spent in kernel mode)。

2. 語法

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

在以上實例中，執行命令"time date"(見第1行)。
系統先執行命令"date"，第2行為命令"date"的執行結果。
第3-6行為執行命令"date"的時間統計結果，其中第4行"real"為實際時間，第5行"user"為用戶CPU時間，第6行"sys"為系統CPU時間。以上三種時間的顯示格式均為MMmNN[.FFF]s。

4. 例2

我們也可以測試上一章我們編寫的程序：

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

下面我們將59行代碼中的usleep(200)修改成sleep(1) 重新編譯執行，10秒后會打印如下執行結果：

root@ubuntu:/home/peng/zhh# time ./a.out  
** Total time 10s + 8178015 nsec 
 
real 0m10.009s 
user 0m0.000s 
sys  0m0.000s

結果和預期基本一致。

大家可以根據我的代碼，方便的將該功能移植到自己的項目中。

責任編輯：姜華來源：一口Linux

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