C 语言精确计时与基准测试
更新时间：2026-08-26。本文是
languages/c/主题专家层文档。想优化性能，先得测得准。但 C 里计时函数有好几种，精度天差地别——clock可能根本测不出你的优化效果，rdtsc能数到 CPU 周期。本文用实测讲清怎么选计时函数、怎么写可信的基准测试。
本文要回答的问题
clock、clock_gettime、rdtsc各有多准？怎么选？CLOCK_MONOTONIC和CLOCK_REALTIME有什么区别？- 为什么"测出来快"的代码，实际可能没快？基准测试有哪些陷阱？
一、四种计时方式对比
计时函数的精度天差地别,选错工具会让你"测不出优化效果"。下面这张图把四种计时的精度阶梯画出来:从 clock 的毫秒级(粗到可能测不出一次空循环)一路爬到 rdtsc 的 CPU 周期级(纳秒以下)。中间 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC) 是最常用的"够准又安全"选择——它不受系统时间被 NTP 调校的影响,单调递增。记住一个原则:要测微优化用 clock_gettime,要数周期用 rdtsc,别拿 clock 当精密尺。
实测同一个"100 万次空操作"循环：
// 1. clock（粗粒度，进程 CPU 时间）
clock_t a = clock();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) { volatile int x = i; }
clock_t b = clock();
// 2. clock_gettime（纳秒级）
struct timespec t1, t2;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &t1);
/* ... */
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &t2);
// 3. rdtsc（CPU 周期级）
uint64_t c1 = rdtsc();
/* ... */
uint64_t c2 = rdtsc();实测结果：
clock_gettime: 313069 ns ← 纳秒级，可靠
rdtsc: 1655524 个时钟周期 ← 周期级，最精细
clock: 0 ticks ← 精度太粗，测不出！clock() 返回 0——它的粒度（ticks）太粗，100 万次空操作都测不出来。这就是"用错计时函数导致优化测不出效果"的典型。
二、计时函数选型
| 函数 | 精度 | 测量对象 | 适用 |
|---|---|---|---|
clock() | 粗（µs~ms） | 进程 CPU 时间 | 粗粒度、秒级 |
gettimeofday() | µs 级 | 墙上时钟（会跳变） | 一般场景 |
clock_gettime() | ns 级 | 单调/实时时钟 | 推荐默认 |
rdtsc | CPU 周期 | 周期数 | 极精细、单函数级 |
推荐 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)：纳秒精度 + 单调时钟，是基准测试的标准选择。
2.1 CLOCK_MONOTONIC vs CLOCK_REALTIME
| 时钟 | 特点 | 问题 |
|---|---|---|
CLOCK_REALTIME | 墙上时钟，可被 NTP/用户调整 | 测时间会跳变（回拨） |
CLOCK_MONOTONIC | 单调递增，不受时间调整影响 | 无 |
基准测试必须用 CLOCK_MONOTONIC——用 REALTIME 测时间，系统校时一发生，你的测量就乱了。
三、rdtsc：数 CPU 周期
static inline uint64_t rdtsc(void) {
unsigned int lo, hi;
__asm__ volatile ("rdtsc" : "=a"(lo), "=d"(hi));
return ((uint64_t)hi << 32) | lo;
}rdtsc 读 CPU 时间戳计数器，精度到单个周期，是剖析单条指令、单次函数调用开销的利器。
但注意：
- 乱序执行下，rdtsc 前后的指令可能重排，需
mfence/lfence夹住 - 多核下不同核的 TSC 可能不同步（现代 CPU 一般同步）
- 频率变化（turbo）下，周期数 ≠ 真实时间
四、基准测试的四大陷阱
| 陷阱 | 现象 | 对策 |
|---|---|---|
| 编译器优化掉被测代码 | 空循环被消除，测得"0 时间" | 用 volatile 或让结果有副作用 |
| 没预热 | 第一次跑含缓存冷启动 | 先跑一次预热，再正式测 |
| 单次测量噪声大 | 结果忽快忽慢 | 多次运行取中位数/平均 |
| 测的时间太短 | 低于计时精度，测不准 | 循环放大（跑 100 万次） |
五、可信的基准测试模板
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#define ITER 1000000
static inline double now_ns(void) {
struct timespec ts;
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts);
return ts.tv_sec * 1e9 + ts.tv_nsec;
}
double measure(void (*fn)(void)) {
fn(); // 预热
double best = 1e18;
for (int r = 0; r < 10; r++) { // 跑 10 轮取最小
double t = now_ns();
for (int i = 0; i < ITER; i++) fn();
double e = now_ns() - t;
if (e < best) best = e;
}
return best / ITER; // 单次平均
}要点：预热 + 多轮取最小（排除 GC、调度噪声）+ 放大循环 + CLOCK_MONOTONIC。
六、与本站主线衔接
- 内联汇编：rdtsc 的内联汇编实现，见 内联汇编入门。
- 编译优化：编译器消除空循环导致测不准，见 编译优化行为。
- 缓存：预热与缓存冷启动对测量的影响，见 缓存与 C 程序性能。
- perf：perf 与手动计时的配合，见 perf 剖析 C 程序。
一句话总结
计时要选对函数：clock 太粗（实测测出 0）、clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC) 纳秒级是标准、rdtsc 精确到周期；基准测试要防"编译器优化掉代码、没预热、单次噪声、测太短"四大陷阱，用预热 + 多轮取最小 + 单调时钟才可信。