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如何获得十亿分之一秒的时钟精度
一、获取计时数据
和其他Windows服务器一样，在Windows 2003 Server上最能发挥性能优势的是多线程程序。Windows 2003 Server支持各种多处理器系统，同时也能在单处理器的P4系统上运行。对于单处理器P4系统，Windows 2003 Server将发挥出Intel超线程技术提供的各种硬件线程执行引擎的优势。
开发服务器应用的人都知道，之所以要开发并行程序，真正的原因只有一个——性能。然而，众所周知，性能改善是一个比较模糊的目标，因为多线程代码的性能通常只能靠经验估计。在单线程程序中，性能改进程度一般可以精确地预知，例如减少了多少指令和延迟较高的操作，但多线程代码不同，Windows平台中线程调度是不确定的，也就是说，在Windows中应用程序可以要求调度程序运行线程，但调度程序何时（是否）运行线程则远远超出了应用程序代码的控制范围。
在测试性能时，开发者很快会遇到一个问题，这就是Windows内建的标准时钟实在不够精确，其可靠测量事件时间的解析度很难高于一秒，这样，要确定一个代码片段是否真正得到优化就很困难了。如果一定要用Windows的标准时钟进行测试，必须利用循环让代码运行几百万次，才能获得有效的时间数据。绝大多数情况下，使用这类循环意味着修改应用程序。
其实，还有更好的办法，这就是Win32高解析度时钟，涉及的函数有两个：QueryPerformanceCount()，QueryPerformanceFrequency()。在Intel系统中，从P II开始，这些函数依赖于Pentium芯片内建的一个计数器。当一个Intel系统启动时，一个64位的寄存器跟踪着消逝的时钟周期，这个计数器提供了解析度极高的计时设备。
整个64位寄存器都要用到。32 bit的整数大约能计数20亿，对于当前每秒运行20-30亿个周期的处理器，32 bit的计数器会在一秒或更少的时间内溢出，64 bit的计数器则能容纳这些秒数的20亿倍，按20亿秒计算就是约63年——可以相信，这已经远远超出测量任何程序的要求了。
要对一个事件进行计时，只需获得事件开始之前、结束之后的时钟计数。下面的代码不依赖于Win32（即，从C/C++直接访问），稍后我们再看看操作系统提供的函数。我们首先定义一个数据结构，然后再来看填写该结构的代码：
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typedef struct _BinInt32 { __int32 i32[2]; } BigInt32; typedef struct _BigInt64 { __int64 i64; } BigInt64; typedef union _bigInt { BigInt32 int32val; BigInt64 int64val; } BigInt; |
下面的代码从操作系统获得时钟计数器的高位和低位，分别填写__int64数据的两个32 bit部分：
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BigInt start_ticks, end_ticks; _asm { RDTSC mov start_ticks.int32val.i32[0], eax mov start_ticks.int32val.i32[4], edx } |
这段代码能够在Visual Studio .NET 2003中顺利运行，在以前的C/C++编译器中也应该没有问题。RDTSC（ReaD Time Stamp Counter）是一个汇编指令，它的功能是把时间戳计数器的内容装入EAX和EDX寄存器。执行上述代码后，start_ticks就包含了完整的时钟计数。再次调用上面的代码，把start_ticks替换成end_ticks，再从end_ticks减去start_ticks，就得到了两次调用期间流逝的时钟周期。
要输出这个_int64值，可以使用下面的printf()掩码：
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printf ( "Function used %I64Ld ticks\n", end_ticks.int64val.i64 - start_ticks.int64val.i64 ); |
Win32函数QueryPerformanceCounter()的功能也大致相似，它唯一的参数是一个指向计数器变量的长指针。如果函数调用失败，它返回0（实际上是FALSE）。然而，上面提供的代码突破了Windows调用的黑箱，即使在非Windows的Intel系统上，也能发挥同样的功能。
二、使用计时数据
如果要把时钟计数转换成时间，只要把时钟计数除以CPU的时钟频率就可以了。不过，芯片上标准的GHz数据往往与实际运行的速度不同。如果要测试芯片的实际速度，除了Win32调用QueryPerformanceFrequency()，还有几种非常好的工具软件。这里要推荐两种工具，首先是Intel自己的Processor Frequency ID Utility，可以从http://support.intel.com/support/ processors/tools/FrequencyID/FreqID.htm免费下载，它还能提供有关处理器的许多其他信息。另一个工具提供的信息更多，它就是wCPUID，可以从http://www.h-oda.com/免费下载。
这两种工具都能够测出精确的时钟速度，用前面获得的时钟计数除以速度，就可以得到高精度的时间计数。QueryPerformanceFrequency()函数也只有一个长指针参数，出现错误时返回0或FALSE。
在如此高的时钟解析度下，许多平常看不到的现象会显现出来。最令人莫名其妙的是，多次测试同一段代码，结果会出现很大的波动。
大范围波动的主要原因在于读取操作，特别是第一、二两次读取与从缓冲区读取的差异。当代码第一次执行时，一般需要把它装入到缓冲区，代码所操作的数据也一样。用时钟周期来度量，这一缓冲装入过程是相当耗时的。不过，当代码和数据放入了缓冲区（多次运行代码之后的结果），装入缓冲区操作所带来的失真渐渐消失。因此，实际测试时，应当抛弃前几次的数据，只计算结果稳定下来之后的平均值。
然而，即使在看起来比较稳定的结果集中，仍会突然出现一些突变，这是由于操作系统切换线程所导致的。由于时钟计数器总是不停地累加，它的计数不能反映出代码的一部分执行时间已经用于休眠。要解决这个问题，必须将线程设置成Windows最高的优先级，即实时（对应的符号是REALTIME_PRIORITY_CLASS），防止测试期间线程被切换掉。
但是，采用这种解决办法时必须谨慎。如果让一大段代码用这个优先级运行，可能会阻塞其他线程。因此，如果要用这种办法测试大段代码，应当确信系统暂时不作它用。另外，必须记住的是，测试完成后要把代码恢复成标准优先级——注意，是在测试完成后立即恢复，否则的话，可能带来许多风险，例如，可能直到部署应用程序时也不能再想起需要恢复优先级，由此带来的问题可能使用户久久难忘——当你的应用程序开始运行时，其他代码都好像停止运行了。
当然，这是一个可以暂且不管的话题。无论怎样，现在我们已经有了一个高度精确的时钟，它能够在大多数当前的Intel处理器上运行，适合从Windows 95开始的所有Windows操作系统。好好享受吧！
