探討性能測試中的計時問題

來源: vckbase.com 發布時間: 2011-04-02 10:19 閱讀: 880 次推薦: 0 原文鏈接 [收藏]

摘要：本文結合作者在代碼性能測試工作中的經驗，介紹一組自己封裝的的計時函數。使用該組函數可以簡化測試工作，從而把更多的精力放在主要工作上，不需要過多地維護計時代碼，僅僅使用兩個宏就可以方便、精確地實現多個模塊、多方式的時間性能測試，并且計時結果以一個文本文件獨立保存，清晰直觀。

　　在系統測試時，尤其在需要測試算法或者某些模塊的運行時間時，往往需要調用一些時間函數庫（如VC中的timeGetTime等可以獲取毫秒級的時間），在待測試的模塊前后分別測試時間，然后，計算前后兩個時間的差值，就得到模塊的運行時間，如圖 1。圖 1 一個典型的模塊計時方法

　　但是，使用原始的計時函數直接進行時間測試在很多復雜情況下不方便，如圖 1，當在一個模塊中有多個子模塊需要分別計時，所編寫的計時代碼甚至比原有的代碼還多，這增加了程序維護和閱讀的難度，容易出錯。作者結合自己在相關工作中的經驗，封裝了一組計時函數，共享給大家。該組函數有如下幾個優點：

計時精確：封裝的是高精度的計時API函數QueryPerformanceCounter()，該函數根據硬件定時器的頻率，理論上可以得到微秒(us)級精度的計時結果；
使用簡單：只用在待測試的模塊前后加上兩個宏BM_START和BM_END，不需要對結果進行計算，也不需要考慮對各個模塊測試結果數據的維護，這些操作已經被封裝。
結果輸出獨立：在系統運行結果時，只需要調用一個函數就可以把計時結果保存在一個文本文件里，如圖 5和圖 8所示。

　　1. 高精度計時函數

　　在Windows系統下，程序員通常可以使用多種方式來進行時間控制：如使用前文提到的timeGetTime()函數，或者使用GetTickCount()函數，又或實現WM_TIMER消息的映射等等。但是這些方法得到的時間精度都有一定的局限性，為了增加下文將到介紹的計時函數庫的適用性，本文采用高精度的時控API函數QueryPerformanceCounter()。

　　計時之前，調用QueryPerformanceFrequency()函數獲得機器內部定時器的時鐘頻率，然后在需要計時的模塊前后分別調用QueryPerformanceCounter()函數，利用兩次獲得的計數之差獲得時鐘頻率，計算出模塊的運行時間。代碼如圖 2：

圖 2 精確計時代碼段

　　2. 封裝計時函數

　　2.1. 數據結構

　　為了維護計時結果，我們定義如下幾個數據：

#define BENCHMARK_MAX_COUNT 20
double gStarts[BENCHMARK_MAX_COUNT];
double gEnds[BENCHMARK_MAX_COUNT];
double gCounters[BENCHMARK_MAX_COUNT];
double dfFreq = 1;

　　其中，BENCHMARK_MAX_COUNT定義了需要計時的模塊總數，20表示最多可以定時20個模塊，該值可以根據具體應用而定。gStarts和gEnds分別用于保存開始計時和終止計時的計數器的值，gCounters用來保存計時結果。全局變量dfFreq用來保存上文介紹的時鐘頻率，如圖 2所示。

　　2.2. 初始化InitBenchmark()

　　初始化函數InitBenchmark()包括兩部分內容：

對數組gStarts, gEnds, gCounter清零；
獲得機器內部定時器時鐘頻率。

　　InitBenchmark()代碼如下所示：

void InitBenchmark(){
ResetBenchmarkCounters();
GetClockFrequent();}

　　該函數一般在程序運行最初調用。

　　2.3. 開始計時BMTimerStart()

　　開始計時函數BMTimerStart()放在計時模塊的開始，函數定義如下：

void BMTimerStart(int iModel){
LARGE_INTEGER litmp;
QueryPerformanceCounter(litmp);
gStarts[iModel] = litmp.QuadPart;}

　　其中參數iModel表示當前計時的模塊序號，0=iModel=BENCHMARK_MAX_COUNT;為了簡化調用代碼，我們給出一個宏定義如下:

#define BM_START(t)
BMTimerStart(t);

　　2.4. 終止計時BMTimerEnd（）

　　終止計時函數BMTimerEnd()放在計時模塊的結束，函數定義如下：

void BMTimerEnd(int iModel){
LARGE_INTEGER litmp;
QueryPerformanceCounter(litmp);
gEnds[iModel] = litmp.QuadPart;
gCounters[iModel] += (((gEnds[iModel] - gStarts[iModel]) / dfFreq) * 1000000);}

　　參數iModel同BMTimerStart()。本函數首先獲取當前的時鐘數，然后除以dfFreq得到運行時間。對于最后一條語句：

gCounters[iModel] += (((gEnds[iModel] - gStarts[iModel]) / dfFreq) * 1000000);

　　要注意兩點：

用“＋＝”而不是“＝”，這個看似簡單的代替，可以實現對同一個模塊的重復計時，后文3.3節列舉的情況；
乘以1000000，表示計時單位為微秒（us）。

　　類似BMTimerStart()，同樣為BMTimerEnd()定義一個宏：

#define BM_END(t)
BMTimerEnd(t);

　　2.5. 結果輸出WriteData()

　　以一個文本文件（見圖 5和圖 8）把全局變量gCounters中的所有值輸出，該函數一般在程序結束處調用，如圖 4中最后一行代碼所示。由于篇幅限制，具體實現代碼請參考源程序。

　　3. 計時測試實例

　　3.1. 多個模塊計時

　圖 3展示了嵌套計時以及對一個函數中多個模塊進行計時的代碼，圖中可以看到，利用輸入參數我們對計時模塊進行統一編號，測試代碼相對圖 1更清晰、直觀。圖 3 用我們的函數實現嵌套計時

　　3.2. 循環內部計時

　　圖 4中的代碼展示了我們對循環體內每次執行運算的計時，只需簡單地給出參數就可以得到從1到20的階乘的每次計算計算時間，計時結果輸出為文件“D:\log.txt”，如圖 5。

圖 4 對循環中每次運算的計時

圖 5 計時結果1

　　3.3. 循環累加計時

　　從圖 5可以看到，由于現代計算機處理速度越來越快，一些簡單運算的模塊，微秒的計時單位幾乎都不夠精確，因此，一種常用的測試方法就是對同一模塊進行N （N 取1000，10000等）次重復執行。使用本文介紹的計時函數，我們可以采用兩種方式對這種情況進行測試，代碼分別如圖 6和圖 7，請注意二者的區別，并請讀者分析為何圖 7中的方法也是可行的。 N次運算計時結果如圖 8。圖 6 累加計時1