C语言计算代码执行所耗CPU时钟周期

计算C语言代码执行所耗CPU时钟周期的攻略

在计算C语言代码执行所耗CPU时钟周期之前，需要我们先了解几个概念。

CPU时钟周期

CPU时钟周期是CPU进行一次基本操作所需的时间，通常用纳秒（ns）作为单位进行计量。CPU的时钟频率越高，单位时间内可处理的指令条数就越多，因此计算机越快。

CPU时钟周期与指令执行周期

CPU时钟周期和指令执行周期是两个不同的概念，但二者之间存在一定的关系。CPU时钟周期是CPU进行一次基本操作所需的时间，而指令执行周期则是一条指令完成所需的CPU时钟周期数目。因此，可以通过计算一条指令执行所需的CPU时钟周期数目，来粗略地估算代码执行所需的CPU时钟周期数目。

如何计算代码执行所需的CPU时钟周期数目

我们可以通过使用代码调试工具等方式（如GDB等）来监测程序的指令执行情况，然后通过一些公式来计算出代码执行所需的CPU时钟周期数目。

具体的计算方法如下：

1. 分别记录指令执行的起始和终止时间，计算执行时间 delta_t。
2. 将 delta_t 除以指令执行周期 t，得到总共执行的指令条数 N。
3. 将 N 乘以平均每条指令执行所需的时钟周期数目 T，即可得到代码执行所需的总时钟周期数目。

示例1：计算进程休眠一段时间的时钟周期数目

我们可以通过以下代码来测试在Linux下，进程调用sleep函数休眠一段时间所需的时钟周期数目：

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

int main() {
    struct timespec start, end;
    long long cycles;

    // 获取起始时间
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &start);

    // 休眠1秒钟
    sleep(1);

    // 获取结束时间
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &end);

    // 计算时钟周期数目
    cycles = (long long)((end.tv_sec - start.tv_sec) * 1e9) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
    printf("Sleep for 1s, takes %lld cpu cycles\n", cycles);
}

运行上述代码，将会输出类似以下内容的结果：

Sleep for 1s, takes 159050400 cpu cycles

示例2：计算数组遍历所需的时钟周期数目

我们可以通过以下代码来测试遍历一个数组所需的时钟周期数目：

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

#define N 100000

int a[N];

int main(void)
{
    int i, j;
    struct timespec start, end;
    long long cycles;

    for (i = 0; i < N; i++) a[i] = i;
    // 获取起始时间
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &start);
    // 遍历数组
    for (i = 0; i < N; i++)
        for (j = i; j < N; j++)
            a[i] = a[i] + a[j];
    // 获取结束时间
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &end);

    // 计算时钟周期数目
    cycles = (long long)((end.tv_sec - start.tv_sec) * 1e9) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
    printf("Traverse %d element array, takes %lld cpu cycles\n", N, cycles);
    return 0;
}

运行上述代码，将会输出类似以下内容的结果：

Traverse 100000 element array, takes 2945284016 cpu cycles

总结

通过以上两个示例，我们可以看到如何通过公式计算出代码执行所需的CPU时钟周期数目，通过代码调试工具等方式来监测程序的指令执行情况。