我试图通过使用物理时钟来测量c ++中某些命令的执行时间，但是我遇到了一个问题，即从计算机上的物理时钟读取测量值的过程可能需要很长时间。这是代码：
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <math.h>
#include <time.h>
int main()
{
int64_t mtime, mtime2, m_TSsum, m_TSssum, m_TSnum, m_TSmax;
struct timespec t0;
struct timespec t1;
int i,j;
for(j=0;j<10;j++){
m_TSnum=0;m_TSsum=0; m_TSssum=0; m_TSmax=0;
for( i=0; i<10000000; i++) {
clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&t0);
clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&t1);
mtime = (t0.tv_sec * 1000000000LL + t0.tv_nsec);
mtime2= (t1.tv_sec * 1000000000LL + t1.tv_nsec);
m_TSsum += (mtime2-mtime);
m_TSssum += (mtime2-mtime)*(mtime2-mtime);
if( (mtime2-mtime)> m_TSmax ) { m_TSmax = (mtime2-mtime);}
m_TSnum++;
}
std::cout << "Average "<< (double)(m_TSsum)/m_TSnum
<< " +/- " << floor(sqrt( (m_TSssum/m_TSnum - ( m_TSsum/m_TSnum ) *( m_TSsum/m_TSnum ) ) ) )
<< " ("<< m_TSmax <<")" <<std::endl;
}
}
接下来我在专用核心上运行它（或者系统管理员告诉我），以避免调度程序将进程移动到后台的任何问题：
$ taskset -c 20 ./a.out
这是我得到的结果：
Average 18.0864 +/- 10 (17821)
Average 18.0807 +/- 8 (9116)
Average 18.0802 +/- 8 (8107)
Average 18.078 +/- 6 (7135)
Average 18.0834 +/- 9 (21240)
Average 18.0827 +/- 8 (7900)
Average 18.0822 +/- 8 (9079)
Average 18.086 +/- 8 (8840)
Average 18.0771 +/- 6 (5992)
Average 18.0894 +/- 10 (15625)
很明显，需要大约18纳秒（在这个特定的服务器上）才能调用clock_gettime()，但是我无法理解为什么“最大”时间似乎要长300到1000倍？
如果我们假设核心真正致力于这个过程并且没有被其他东西使用（可能是也可能不是;当不在专用核心上运行时，平均时间是相同的，但sd / max稍大）还有什么可能导致这些“减速”（缺乏一个更好的名字）？
当您在两个clock_gettime调用上迭代1000万次时，有许多软件和硬件相关的原因可能会出现异常事件（以及非异常值变化）。这些原因包括：
watch -n1 cat /proc/interrupts，看看你可能认为是一个空闲的系统是如何发生的。clock_gettime的内部结构，你可能会发现一些分支，当发生一些溢出时，或者通过更新等从VDSO比赛中的调整因子中读取时采取不同的路径。这甚至不是一个全面的列表，但至少应该让你尝试一些可能导致异常值的因素。您可以消除或减少其中一些的影响，但在x86上的现代非realtime2 OS上通常无法完全控制。
如果我不得不猜测，基于典型的~8000 ns的异常值，这对于上下文切换中断可能太小，您可能会看到由于TurboBoost比率变化导致的处理器频率缩放的影响。这是一个满口，但基本上现代的x86芯片以不同的“最大涡轮”速度运行，具体取决于活动的核心数量。例如，如果一个核心处于活动状态，我的i7-6700HQ将以3.5 GHz运行，但如果2,3或4个核心处于活动状态，则仅分别为3.3,3.2或3.1 GHz。
这意味着即使您的进程从未中断，任何在另一个CPU上运行的工作都可能导致频率转换（例如，因为您从1个转换为2个活动核心），并且在此类转换期间CPU处于空闲状态在电压稳定的同时进行数千次循环。您可以找到一些详细的数字和测试in this answer，但结果是在测试的CPU上稳定需要大约20,000个周期，非常符合您观察到的~8000纳秒的异常值。有时您可能会在一段时间内获得两次转换，从而使影响加倍，依此类推。
如果您仍想知道异常值的原因，可以采取以下步骤并观察对异常值行为的影响。
首先，您应该收集更多数据。您应该收集具有合理铲斗尺寸的直方图（例如100 ns，甚至更好的某种类型的几何铲斗尺寸，以便在更短的时间内提供更高的分辨率），而不是仅重新编码超过10,000,000次迭代。这将是一个巨大的帮助，因为你将能够准确地看到时间聚集的位置：完全有可能你有其他效果，而不是你注意到“最大”的6000 - 17000 ns异常值，他们可以有不同的原因。
直方图还可以让您了解异常值频率，您可以将其与可以测量的事物的频率相关联，以查看它们是否匹配。
现在添加直方图代码也可能为定时循环增加更多的差异，因为（例如）你将根据时间值访问不同的缓存行，但这是可管理的，特别是因为时间的记录发生在“定时区域“。
有了这些，您可以尝试系统地检查我上面提到的问题，看看它们是否是原因。以下是一些想法：
/sys/devices/system/cpu/intel_pstate/no_turbo驱动程序，你可以通过将0设置为intel_pstate来禁用超名义（aka turbo）。如果你有另一个驱动程序，你也可以操纵turbo模式directly via MSR，或者如果其他所有驱动程序都失败你可以在BIOS中执行它。在linked question中，当涡轮增压器被禁用时，异常值基本消失，因此首先要尝试。
假设您实际上希望在生产中继续使用turbo，您可以手动将最大turbo比限制为适用于N个核心的某个值（例如，2个核心），然后使其他CPU脱机，因此最多这些核心数将永远积极点。然后，无论有多少核心处于活动状态，您都可以始终以新的最大涡轮增压运行（当然，在某些情况下，您可能仍会受到功率，电流或热量限制）。/proc/interrupts）并查看计数足以解释异常值。如果你发现特定的定时器中断是原因，你可以探索内核提供的各种“无滴答”（又名“NOHZ”）模式，以减少或消除它们。您也可以通过x86上的HW_INTERRUPTS.RECEIVED性能计数器直接计算它们。HZ速率发生（在现代内核上通常为250 /秒） - 但它在少数情况下很少发生调度程序实际上决定在繁忙的CPU上调度另一个进程的空闲系统。如果您使基准测试循环变短，通常几乎可以完全避免上下文切换。perf）检查是否发生这种情况。您可以仔细设计数据包处理代码的核心，以避免诸如缓存未命中之类的异常事件，例如通过预先触摸缓存行，并且可以尽可能避免使用具有未知复杂性的系统调用。虽然上述部分内容仅用于调查目的，但其中许多内容都可以帮助您确定导致暂停的原因并减轻它们。
我不知道所有问题的缓解 - 像SMM这样的东西你可能需要专门的硬件或BIOS来避免。
1好吧，除非在触发if( (mtime2-mtime)> m_TSmax )条件的情况下 - 但这应该是罕见的（也许你的编译器已经使它无分支，在这种情况下只有一个执行路径）。
2实际上，即使使用硬实时操作系统，您也无法获得“零差异”：某些特定于x86的因素（如SMM模式和DVFS相关的停顿）似乎是不可避免的。
taskset命令定义了您的进程的亲和性，这意味着您的进程被限制为在指定的CPU核心上运行。它不会以任何方式限制其他进程，这意味着它们中的任何进程都可以随时抢占您的进程（因为所有进程都可以在您为进程选择的CPU核心上运行）。因此，您的最大读取间隔时间（那些5-25 usec）可能代表CPU上的其他进程或中断运行时间以及上下文切换时间。除了你使用CLOCK_REALTIME可能会受到NTP校正等。要测量时间间隔你应该使用CLOCK_MONOTONIC（或linux特定的CLOCK_MONOTONIC_RAW）。
这在现代c ++中要容易得多
#include <chrono>
auto start = std::chrono::steady_clock::now();
.....
auto stop = std::chrono::steady_clock::now();
auto duration = stop - start;
对于非实时操作系统，18纳秒非常快。你真的需要比这更准确地测量一些东西吗？根据我的计算，18ns在4GHz CPU上只有72个时钟周期。