std::chrono::clock，硬件时钟和周期计数

Question

std::chrono 提供多个时钟来测量时间。同时，我想 CPU 评估时间的唯一方法是计算周期数。

问题 1：除了计算周期之外，cpu 或 gpu 是否有其他方法来评估时间？

如果是这样，因为计算机计算周期的方式永远不会像原子钟那样精确，这意味着计算机的“秒”（period = std::ratio<1>）实际上可能比实际的更短或更大其次，从长远来看，导致计算机时钟和 GPS 之间的时间测量存在差异。

问题 2：正确吗？

某些硬件具有不同的频率（例如空闲模式和加速模式）。在这种情况下，这意味着周期数在一秒钟内会发生变化。

问题 3： cpu 和 gpus 测量的“循环计数”是否因硬件频率而异？如果是，那么std::chrono 是如何处理的？如果不是，那么一个周期对应于什么（比如什么是“基本”时间）？有没有办法在编译时访问转换？有没有办法在运行时访问转换？

Answer 1

计数周期，是的，但是什么的周期？

在现代 x86 上，内核使用的时间源（在内部以及用于clock_gettime 和其他系统调用）通常是一个固定频率的计数器，它计算“参考周期”，而不管涡轮、省电或时钟-停了闲。 （这是您从rdtsc 或__rdtsc() in C/C++ 获得的计数器）。

正常的std::chrono 实现将使用操作系统提供的函数，例如 Unix 上的clock_gettime。 （在 Linux 上，这可以纯粹在用户空间中运行，代码 + 比例因子数据在由内核映射到每个进程的地址空间的 VDSO 页面中。低开销时间源很好。避免用户->内核->用户往返启用 Meltdown + Spectre 缓解功能有很大帮助。）

分析不受内存限制的紧密循环可能需要使用实际的内核时钟周期，因此它对当前内核的实际速度不敏感。 （并且不必担心将 CPU 提升到最大涡轮等）例如使用perf stat ./a.out 或perf record ./a.out。例如Can x86's MOV really be "free"? Why can't I reproduce this at all?

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一些系统没有/没有内置在 CPU 中的与挂钟等效的计数器，因此操作系统会在 RAM 中维护一个时间，它会在定时器中断时更新，或者时间查询函数会从单独的芯片读取时间。

（系统调用 + 硬件 I/O = 更高的开销，这也是 x86 的 rdtsc 指令从分析事物转变为时钟源事物的部分原因。）

所有这些时钟频率最终都来自主板上的晶体振荡器。但是，正如@Tony 指出的那样，可以调整从周期计数推断时间的比例因子，以使时钟与原子时间保持同步，通常使用网络时间协议 (NTP)。

Answer 2

问题 1：cpu 或 gpu 是否有任何其他方式来评估时间，而不是通过计数周期？

不同的硬件可能提供不同的设施。例如，x86 PC 使用了几种硬件设施来计时：在过去十年左右的时间里，x86 CPU 有Time Stamp Counters 以它们的处理频率运行，或者 - 最近 - 一些固定频率（“恒定速率”又名“不变” TSC） ;可能有一个High Precision Event Timer，并且可以追溯到更远的可编程中断定时器（https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_interval_timer）。

如果是这样，因为计算机计数周期的方式永远不会像原子钟那样精确，这意味着计算机的“秒”（周期 = std::ratio）实际上可以比实际秒短或大，导致计算机时钟和 GPS 之间的时间测量长期存在差异。

是的，没有原子钟的计算机（它们现在可用on a chip）不会像原子钟那样准确。也就是说，Network Time Protocol 等服务允许您在一堆计算机之间保持更紧密的一致性。有时可以通过使用Pulse Per Second (PPS) 技术来辅助。更现代和更准确的变体包括 Precision Time Protocol (PTP)（通常可以在 LAN 上实现亚微秒级精度）。

问题3：cpu和gpus测得的“周期数”是否因硬件频率而异？

这取决于。对于 TSC，较新的“恒定速率”TSC 实现不会发生变化，其他实现会有所不同。

如果是，那么 std::chrono 是如何处理的？

我希望大多数实现都调用操作系统提供的时间服务，因为操作系统往往最了解和访问硬件。有很多因素需要考虑 - 例如。 TSC 读数是否跨内核同步，如果 PC 进入某种睡眠模式会发生什么，在 TSC 采样周围需要什么样的内存栅栏......

如果不是，一个周期对应于什么（比如什么是“基本”时间）？

对于 Intel CPU，请参阅this answer。

有没有办法在编译时访问转换？有没有办法在运行时访问转换？

std::chrono::duration::count 公开使用任何时间源的原始滴答计数，您可以将duraction_cast 暴露给其他时间单位（例如秒）。预计 C++20 将引入更多功能，例如 clock_cast。 AFAIK，没有可用的constexpr 转换：如果程序最终运行在与编译它的机器具有不同 TSC 速率的机器上，这似乎也很可疑。