java - JVM 和 C++ 之间纳秒级精度的差异

Question

当使用 System.nanoTime() 在 JVM 上测量时间时，您可以获得比使用 std::chrono::high_resolution_clock 更高的精度。这怎么可能，是否有一种跨平台的方法可以在 C++ 中获得与在 JVM 上相同的精度。

例子:

Kotlin (JVM):

fun main(args: Array<String>) {
    for (i in 0..10)
        test() // warmup

    println("Average resolution: ${test()}ns")
}

fun test(): Double {
    val timeList = mutableListOf<Long>()

    for (i in 0 until 10_000_000) {
        val time = System.nanoTime()
        if (timeList.isEmpty() || time != timeList.last())
            timeList.add(time)
    }

    return timeList
            .mapIndexed { i, l -> if (i > 0) l - timeList[i - 1] else null }
            .filterNotNull()
            .average()
}

输出:平均分辨率:433.37ns

C++:

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <numeric>
#include <vector>

int main() {
    using namespace std;
    using namespace chrono;

    vector<long long int> time_list;

    for(int i = 0; i < 10'000'000; ++i) {
        auto time = duration_cast<nanoseconds>(high_resolution_clock::now().time_since_epoch()).count();
        if(time_list.empty() || time != time_list[time_list.size() - 1])
            time_list.push_back(time);
    }

    adjacent_difference(time_list.begin(), time_list.end(), time_list.begin());
    auto result = accumulate(time_list.begin() + 1, time_list.end(), 0.0) / (time_list.size() - 1);

    printf("Average resolution: %.2fns", result);

    return 0;
}

输出:平均分辨率:15625657.89ns 编辑:(MinGW g++)编辑:输出:平均分辨率:444.88ns (MSVC)

这是在 Windows 上完成的，但在 Linux 上我得到了类似的结果。

编辑:

好吧，原来的 C++ 是用 MinGW 和 g++ 计算的，在切换到 MSVC 后我得到了与 JVM (444.88ns) 相当的结果。

Answer 1

您的 Java (Kotlin) 示例未测量纳秒粒度；它主要测量垃圾收集 Long 对象列表所需的时间。 (或扩展堆，或分配对象和对象头 - 如果您只运行一次测试，它可能会尝试进行垃圾收集，但只要循环运行就不会成功)

Java 的内存分配速度非常快，通常比 C/C++ 的标准内存分配库更快。

对于 C++，纳秒时钟的感知精度中至少有很大一部分可能来自对 vector 调用 push_back 1000 万次，这涉及大量重新分配。

更好的测试是(Kotlin，但 C++ 也可以这样做)- 无需记住列表中的时间戳即可计算它们之间的平均差异。

fun main(args: Array<String>) {
    for (i in 0 until 10) {
        runTest();
    }
}

fun runTest() {
    var lastTime = System.nanoTime()
    var count = 0;
    var total = 0L;
    for (i in 0 until 50_000_000) {
        val time = System.nanoTime()
        if (time > lastTime) {
            count++;
            total += time - lastTime;
            lastTime = time;
        }
    }

    val result = total / count;

    println("Average resolution: ${result}ns")
}

注意:这使我在 Java 中获得了非常一致的 32-35ns 精度，比您的原始代码给我的 45-200ns 好得多。

至于你的 C++ 代码，你在我的 MacBookPro 上运行的原始代码给了我 68-78ns(当在循环中运行 10 次时)

我还从您的代码中删除了不必要的 vector ，然后它给出了 50-51ns 的结果，这很好地表明实际粒度是 50ns。

JVM 的性能比 32-35ns 稍好(比 50ns 好 38%)，但差距远没有您提到的那么大。

请重试并使用未将结果不必要地存储在列表中的代码发布输出，因为这会极大地影响结果。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <numeric>
#include <vector>


int main1() {
    using namespace std;
    using namespace chrono;

    vector<long long int> time_list;

    long long total = 0;
    int count = 0;
    auto lastTime = duration_cast<nanoseconds>(high_resolution_clock::now().time_since_epoch()).count();
    for(int i = 0; i < 50000000; ++i) {
        auto time = duration_cast<nanoseconds>(high_resolution_clock::now().time_since_epoch()).count();
        if (time > lastTime) {
            count++;
            total += time - lastTime;
            lastTime = time; 
        }
    }

    long long result = total / count;

    printf("Average resolution: %.2lld ns\n", result);

    return 0;
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        main1();
    }
}