使用 C 语言中的 gettimeofday 函数

测量一段 C 代码的经过时间时，优先使用搭配 CLOCK_MONOTONIC 的 clock_gettime：它测量时间间隔，不受墙上时钟调整影响。gettimeofday 是一种广泛可用的旧式选项，用来读取墙上时钟；clock 则测量进程 CPU 时间。下面的示例展示了如何计算时间差并检查调用结果；测得的时间取决于机器和构建方式。

使用 gettimeofday 测量经过时间

gettimeofday 在 <sys/time.h> 中声明，并会填充 struct timeval。它的 tv_sec 字段表示自 Epoch 起经过的秒数，tv_usec 是以微秒表示的小数部分。时区参数已过时，应传入 NULL。许多类 Unix 系统仍提供此 API，但由于墙上时钟可能被调整，它已是测量时间间隔的旧式选择。

示例在循环前后各记录一次读数，并将秒数差和微秒数差合并到 elapsed 中。volatile 累加器让循环结果可被观察到，因此优化编译器不会丢弃这部分工作。循环从 0 执行到 9,999，因此总和为 49,995,000，即使按 unsigned long 的最低 32 位范围也能容纳。你可以将循环替换为要测量的操作。输出包含工作计数和计算出的经过时间。下方的计时值仅供说明；它会因系统和构建方式而异。示例中未更改的输出标签仍为英文。

运行此示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>

int main(void) {
    struct timeval start, end;
    volatile unsigned long total = 0;

    if (gettimeofday(&start, NULL) != 0) {
        return 1;
    }
    for (unsigned long i = 0; i < 10000UL; ++i) {
        total += i;
    }
    if (gettimeofday(&end, NULL) != 0) {
        return 1;
    }

    double elapsed = (double)(end.tv_sec - start.tv_sec)
                   + (double)(end.tv_usec - start.tv_usec) / 1000000.0;
    printf("gettimeofday elapsed: %.6f seconds (work=%lu)\n", elapsed, total);
    return 0;
}

gettimeofday 成功时返回零，失败时返回非零值。在使用这两个结构体之前，应检查两次读取的结果。由于这是墙上时钟测量，如果测量期间系统时钟发生调整，计算出的差值可能受到影响。显示的小数位数只是输出格式，并不代表测量分辨率有保证。

使用 clock_gettime 测量经过时间

测量时间间隔时，使用 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)。CLOCK_MONOTONIC 单调递增，并不是日历时钟。CLOCK_REALTIME 表示墙上时间，可能会随系统时钟调整而变化，因此通常不适合测量时间间隔。该函数和 struct timespec 在 <time.h> 中声明；tv_sec 保存秒数，tv_nsec 保存纳秒数。纳秒单位并不保证纳秒级精度，也不保证实际时钟分辨率达到纳秒级。

这个完整示例会检查两次调用，并以秒为单位计算时间间隔。循环总和 49,995,000 可容纳在 unsigned long 的最低 32 位范围内；输出显示工作计数和计算出的经过时间。下方的计时值仅供说明，因为它会因系统和构建方式而异。对于需要 POSIX 声明 clock_gettime 的系统，特性测试宏会请求该声明。示例中未更改的输出标签仍为英文。

#define _POSIX_C_SOURCE 199309L
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    struct timespec start, end;
    volatile unsigned long total = 0;

    if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start) != 0) {
        return 1;
    }
    for (unsigned long i = 0; i < 10000UL; ++i) {
        total += i;
    }
    if (clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end) != 0) {
        return 1;
    }

    double elapsed = (double)(end.tv_sec - start.tv_sec)
                   + (double)(end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.0;
    printf("clock_gettime elapsed: %.6f seconds (work=%lu)\n", elapsed, total);
    return 0;
}

即使结束读数的小数部分字段小于开始读数，这种字段相减方式仍然有效，因为秒数差会补上相应的整秒。若应用需要得到归一化的 timespec 结果，当小数部分差值为负时，应借一秒并加上一十亿纳秒。

使用 clock 测量 CPU 时间

<time.h> 中的 clock 报告当前进程使用的处理器时间，而不是墙上时钟经过的时间。它的结果是以时钟滴答为单位的 clock_t 计数；将差值除以 CLOCKS_PER_SEC，即可换算成秒。滴答的刻度和有效分辨率取决于具体实现，极短的操作可能测不出有意义的变化。返回值 (clock_t)-1 表示无法获取处理器时间。

示例会检查两次读数，并让循环结果可被观察到。循环总和 49,995,000 可容纳在 unsigned long 的最低 32 位范围内；输出包含工作计数和计算出的 CPU 时间。下方的计时值仅供说明，因为它会因系统和构建方式而异。示例中未更改的输出标签仍为英文。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    clock_t start = clock();
    if (start == (clock_t)-1) {
        return 1;
    }

    volatile unsigned long total = 0;
    for (unsigned long i = 0; i < 10000UL; ++i) {
        total += i;
    }

    clock_t end = clock();
    if (end == (clock_t)-1) {
        return 1;
    }
    double cpu_seconds = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("clock CPU duration: %.6f seconds (work=%lu)\n", cpu_seconds, total);
    return 0;
}

如果你想估算某项计算消耗了多少处理器时间，CPU 时间会很有用。它不包含休眠、网络、磁盘或其他阻塞操作所花费的全部等待时间。在多线程进程中，报告的进程 CPU 时间可能累计多个线程的用时，因此可能超过测量区间的墙上时间。

根据测量目标选择合适的时钟

根据你需要测量的量选择时钟：

• 对于包含等待和调度时间的持续时长，在可用时使用搭配 CLOCK_MONOTONIC 的 clock_gettime。
• 对于需要简单墙上时钟读数的旧式类 Unix 代码，可以使用 gettimeofday，但要注意墙上时间可能被调整。
• 对于进程消耗的 CPU 时间，使用 clock，并用 CLOCKS_PER_SEC 将滴答数换算为秒。

让开始和结束的调用尽量靠近要测量的工作；比较不同方案时，应多次进行测量。系统负载、编译器优化、硬件和被测操作都会影响计时结果。对于极短的工作，可以测量一批操作，或重复操作后除以重复次数；不要把打印的小数位数或纳秒字段当作精度保证。使用结果前检查每次计时调用，并确保被测工作会产生可观察的效果。这些方法测量的对象不同，只有时钟符合测量问题时，结果才适合比较。