探討性能測試中的計時問題

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 的模塊前後分別測試時間，然後，計算前後兩個時間的差值，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後加上兩 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裡，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，然後在需 要計時的模塊前後分別調用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分別用於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，然後除以dfFreq得到運行時間 。對於最後一條語句：

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，後文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中最後一行代碼所示。由於篇幅限制，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，由於現代計算 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，並請讀者分析為何圖 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

圖 7 累加計時2

圖 8 計時結果2

4. 結束語

本文實現了一組計時函數的封裝，並給 出幾種特殊情況下的測試實例，實驗表明該組函數可以滿足各種復雜情況下的計 時，能夠很方便地應用的實際的測試工作中。當然，還可以進一步封裝成一個計 時類，留給讀者們自己去做。

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