C語言測量程序運行時間：clock() 與高精度計時器對比

C語言程序性能計時：從 clock() 到納秒級精度

基礎方法：clock() (C 標準庫)

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

int main() {
    clock_t start = clock();
    // 待測代碼
    for (volatile long i = 0; i < 100000000; ++i);
    clock_t end = clock();

    double cpu_time_ms = (double)(end - start) * 1000.0 / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("CPU 時間: %.3f ms\n", cpu_time_ms);
    return 0;
}

• 返回進程佔用 CPU 時間（用戶態+內核態），非牆鐘時間。
• 精度受限於 CLOCKS_PER_SEC（通常 1,000,000），理論微秒級，實際常毫秒級。
• 多線程程序返回所有線程 CPU 時間總和。

高精度牆鐘時間：clock_gettime() (POSIX / Linux / macOS / Windows 10+)

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>  // PRIu64

int main() {
    struct timespec start, end;
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);  // 单调时钟，不受系统时间调整影响
    // 待測代碼
    for (volatile long i = 0; i < 100000000; ++i);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);

    uint64_t elapsed_ns = (uint64_t)(end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000000ULL
                        + (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
    printf("牆鐘時間: %" PRIu64 " ns (%.3f ms)\n", elapsed_ns, elapsed_ns / 1e6);
    return 0;
}

• CLOCK_MONOTONIC：單調遞增，適合測量間隔，不受 NTP/用戶改時間影響。
• CLOCK_REALTIME：系統實時時間（牆鐘），可能跳變。
• 納秒級精度，現代硬體可達亞微秒。

Windows 專用高精度：QueryPerformanceCounter

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    LARGE_INTEGER freq, start, end;
    QueryPerformanceFrequency(&freq);
    QueryPerformanceCounter(&start);
    // 待測代碼
    for (volatile long i = 0; i < 100000000; ++i);
    QueryPerformanceCounter(&end);

    double elapsed_ms = (double)(end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000.0 / freq.QuadPart;
    printf("高精度時間: %.3f ms\n", elapsed_ms);
    return 0;
}

跨平台封裝建議

// timer.h
#pragma once
#ifdef _WIN32
    #include <windows.h>
    typedef LARGE_INTEGER TimerCount;
    void timer_start(TimerCount *t);
    double timer_elapsed_ms(TimerCount *start);
#else
    #include <time.h>
    typedef struct timespec TimerCount;
    void timer_start(TimerCount *t);
    double timer_elapsed_ms(TimerCount *start);
#endif

選型指南

注意事項

• 微基測試需預熱（先跑幾輪）、多次取中位數、防止編譯器優化掉代碼（用 volatile 或輸出結果）。
• clock() 測量的是 CPU 時間，多核並行程序可能 > 牆鐘時間。
• 嵌入式裸機：讀取 SysTick / DWT_CYCCNT (Cortex-M) / TSC (x86) 寄存器。