Windows使用CPU時間戳記進行高精度計時

對關注效能的程式開發人員而言，一個好的計時組件既是益友，也是良師。計時器既可以作為程式組件協助程式員精確的控製程序進程，又是一件有力的調試武器，在有經驗的程式員手裡可以儘快的確定程式的效能瓶頸，或者對不同的演算法作出令人信服的效能比較。

    在Windows平台下，常用的計時器有兩種，一種是timeGetTime多媒體計時器，它可以提供毫秒級的計時。但這個精度對很多應用場合而言還是太粗糙了。另一種是QueryPerformanceCount計數器，隨系統的不同可以提供微秒級的計數。對於即時圖形處理、多媒體資料流處理、或者即時系統構造的程式員，善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一項基本功。    本文要介紹的，是另一種直接利用Pentium CPU內部時間戳記進行計時的高精度計時手段。以下討論主要得益於《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。關於RDTSC指令的詳細討論，可以參考Intel產品手冊。本文僅僅作拋磚之用。    在Intel Pentium以上層級的CPU中，有一個稱為“時間戳記（Time Stamp）”的組件，它以64位無符號整型數的格式，記錄了自CPU上電以來所經過的刻度數。由於目前的CPU主頻都非常高，因此這個組件可以達到納秒級的計時精度。這個精確性是上述兩種方法所無法比擬的。    在Pentium以上的CPU中，提供了一條機器指令RDTSC（Read Time Stamp Counter）來讀取這個時間戳記的數字，並將其儲存在EDX:EAX寄存器對中。由於EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平台下C++語言儲存函數傳回值的寄存器，所以我們可以把這條指令看成是一個普通的函數調用。像這樣：    inline unsigned __int64 GetCycleCount()    {     __asm RDTSC    }    但是不行，因為RDTSC不被C++的內嵌彙編器直接支援，所以我們要用_emit偽指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31，如下：    inline unsigned __int64 GetCycleCount()    {     __asm _emit 0x0F     __asm _emit 0x31    }    以後在需要計數器的場合，可以像使用普通的Win32 API一樣，調用兩次GetCycleCount函數，比較兩個傳回值的差，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頁編寫了一個類，把這個計數器封裝起來。有興趣的讀者可以去參考那個類的代碼。作者為了更精確的定時，做了一點小小的改進，把執行RDTSC指令的時間，通過連續兩次調用GetCycleCountFunction Compute出來並儲存了起來，以後每次計時結束後，都從實際得到的計數中減掉這一小段時間，以得到更準確的計時數字。但我個人覺得這一點點改進意義不大。在我的機器上實測，這條指令大概花掉了幾十到100多個周期，在Celeron 800MHz的機器上，這不過是十分之一微秒的時間。對大多數應用來說，這點時間完全可以忽略不計；而對那些確實要精確到納秒數量級的應用來說，這個補償也過於粗糙了。    這個方法的優點是：    1.高精度。可以直接達到納秒級的計時精度（在1GHz的CPU上每個刻度就是一納秒），這是其他計時方法所難以企及的。    2.成本低。timeGetTime 函數需要連結多媒體庫winmm.lib，QueryPerformance* 函數根據MSDN的說明，需要硬體的支援（雖然我還沒有見過不支援的機器）和KERNEL庫的支援，所以二者都只能在Windows平台下使用（關於DOS平台下的高精度計時問題，可以參考《圖形程式開發人員指南》，裡面有關於控制定時器8253的詳細說明）。但RDTSC指令是一條CPU指令，凡是i386平台下Pentium以上的機器均支援，甚至沒有平台的限制（我相信i386版本UNIX和Linux下這個方法同樣適用，但沒有條件實驗），而且函數調用的開銷是最小的。    3.具有和CPU主頻直接對應的速率關係。一個計數相當於1/(CPU主頻Hz數)秒，這樣只要知道了CPU的主頻，可以直接計算出時間。這和QueryPerformanceCount不同，後者需要通過QueryPerformanceFrequency擷取當前計數器每秒的計數次數才能換算成時間。    這個方法的缺點是：    1.現有的C/C++編譯器多數不直接支援使用RDTSC指令，需要用直接嵌入機器碼的方式編程，比較麻煩。    2.資料抖動比較厲害。其實對任何計量手段而言，精度和穩定性永遠是一對矛盾。如果用低精度的timeGetTime來計時，基本上每次計時的結果都是相同的；而RDTSC指令每次結果都不一樣，經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。    關於這個方法計時的最大長度，我們可以簡單的用下列公式計算：    自CPU上電以來的秒數 = RDTSC讀出的周期數 / CPU主頻速率（Hz）    64位不帶正負號的整數所能表達的最大數字是1.8×10^19，在我的Celeron 800上可以計時大約700年（書中說可以在200MHz的Pentium上計時117年，這個數字不知道是怎麼得出來的，與我的計算有出入）。無論如何，我們大可不必關心溢出的問題。    下面是幾個小例子，簡要比較了三種計時方法的用法與精度    //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    //需包含<mmsys.h>，但由於Windows標頭檔錯綜複雜的關係    //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    //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));    }    ////////////////////////////////////////////////    //以上三個樣本程式都是測試1秒鐘休眠所耗費的時間    file://測試環境：Celeron 800MHz / 256M SDRAM    //          Windows 2000 Professional SP2    //          Microsoft Visual C++ 6.0 SP5    ////////////////////////////////////////////////    以下是Timer1的運行結果，使用的是高精度的RDTSC指令    Lasting Time: 804586872    以下是Timer2的運行結果，使用的是最粗糙的timeGetTime API    Begin Time: 20254254    End Time: 20255255    Lasting Time: 1001    以下是Timer3的運行結果，使用的是QueryPerformanceCount API    Frequency: 3579545    Begin Time: 3804729124    End Time: 3808298836    Lasting Time: 3569712    古人說，觸類旁通。從一本介紹圖形編程的書上得到一個如此有用的即時處理知識，我感到非常高興。有美不敢自專，希望大家和我一樣喜歡這個輕便有效計時器。原貼：http://down.dns.sh.cn/article/236/417/2008/2008090187669.asp