为什么相同代码在同一台计算机上的执行时间可能不同？

Question

我是 C 编程的新手，我编写了代码并希望获得它的运行时。这就是我所做的。每次我运行我的代码时，我都会得到不同的运行时间值。这样对吗？还是我的代码有问题？

int main(int argc, char *argv[])
{
    time_t start,end;
    start=clock();
    // this part is some operation

    end=clock();
    int running_time=end-start;
    printf("Time taken: %d",running_time);
    return 0;
}

Answer 1

代码没有错。 它只是了解您的程序执行的操作系统调度程序，它一直在变化。

Answer 2

运行时间变化是很正常的，因为您的计算机可能正在运行许多东西（包括您的操作系统），而不仅仅是那段代码，这会影响时钟速度。

在处理消耗非常稳定的计算机上，运行时间应该保持相似。

您的代码没有任何问题。

Answer 3

这取决于您观察到的变化。在现代计算机中，所有设计都是为了在统计上优化平均运行时间。但是许多架构特性是基于统计的，并且取决于初始条件可能导致非常不同的运行时间。这主要包括缓存和分支预测器。运行时有 20-30% 左右的变化是正常的。我们在裸机 OSless 系统上进行了实验，并且行为相同。

这是一个使用时间戳计数器（周期）测量时间的程序。可以测试两个简单的功能。一个只是零向量，第二个是对随机（但始终相同）向量的一组测试。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define N 1000000
#define TYPE int
#define ZERO 0

static unsigned long long start_timer() ;
static unsigned long long stop_timer() ;
static double dtime(long long debut, long long fin);


#ifdef __i386__
#  define RDTSC_DIRTY "%eax", "%ebx", "%ecx", "%edx"
#elif __x86_64__
#  define RDTSC_DIRTY "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx"
#else
# error unknown platform
#endif


static inline unsigned long long start_timer() 
{ 
  unsigned int hi = 0, lo = 0; 

  asm volatile("cpuid\n\t"
           "rdtscp\n\t"
           "mov %%edx, %0\n\t"
           "mov %%eax, %1\n\t" 
           : "=r" (hi), "=r" (lo)
           :: RDTSC_DIRTY);      
  unsigned long long that =   (unsigned long long)((lo) |
                           (unsigned long long)(hi)<<32);

  return that; 
} 

static inline unsigned long long stop_timer() 
{ 
  unsigned int hi = 0, lo = 0; 

  asm volatile("rdtscp\n\t"    
           "mov %%edx, %0\n\t" 
           "mov %%eax, %1\n\t" 
           "cpuid\n\t"     
           : "=r" (hi), "=r" (lo)
           :: RDTSC_DIRTY);      
  unsigned long long that =   (unsigned long long)((lo) |
                           (unsigned long long)(hi)<<32);

  return that; 
} 

static inline double dtime(long long start, long long end)
{
  return (double) (end - start) ;
}


TYPE BF[N] ;

long long start, end;
double benchtime;


void zero(){
  int i, j, m ;
  start=start_timer();
  for (i=0;i<N;i++)
    BF[i]=ZERO;
  benchtime=dtime(start, stop_timer());

  printf ("%g\n", benchtime);
}

void randtest(){
  int i, j, m ;
  srandom(100);
  for (i=0;i<N;i++)
    BF[i]=random();
  int count=0;
  start=start_timer();
  for (i=0;i<N;i++){
    if (BF[i]>RAND_MAX/2)
      count++;
  }
  benchtime=dtime(start, stop_timer());

  printf ("%g\n", benchtime);
}



void main()
{
  #ifdef ZEROTEST
  zero();
  #else
  randtest();
  #endif
} 

结果如下：

am@Mandel:~/tmp/d$ cc -DZEROTEST time.c ;对于 i 在 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10；做./a.out;完成

1.09084e+07 1.14298e+07 1.07197e+07 1.26519e+07 1.32742e+07 1.37184e+07 1.54689e+07 1.36335e+07 1.20818e+07 1.12298e+07

am@Mandel:~/tmp/d$ cc -DZEROTEST -O time.c ;对于 i 在 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10；做./a.out;完成

4.30112e+06 4.37242e+06 4.28102e+06 4.51831e+06 4.45952e+06 5.77813e+06 6.33686e+06 5.44415e+06 5.67434e+06 5.90118e+06

am@Mandel:~/tmp/d$ cc time.c ;对于 i 在 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10；做./a.out;完成

2.4763e+07 2.77489e+07 2.78568e+07 3.3762e+07 3.56298e+07 3.66709e+07 3.22833e+07 2.68651e+07 2.88412e+07 2.92287e+07

am@Mandel:~/tmp/d$ cc -O time.c ;对于 i 在 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10；做./a.out;完成

1.00543e+06 1.15819e+06 1.00544e+06 2.74409e+06 1.17561e+06 1.40751e+06 2.41898e+06 1.65623e+06 2.19502e+06 1.59414e+06

如您所见，至少有 30% 的时间变化是很常见的，但当涉及到分支预测器时，它可能会大得多。它发生在优化或未优化的代码中。

您不能认为执行在现代架构中是确定性的。由于架构设计选择的不同，至少与操作系统效果一样重要。就实时性而言，这是一个主要困难。