タイマ性能評価(C++)

概要

タイマとは，プログラム上で時間を測定するための機能である．主に，プログラム内部の処理時間を測定するときに使用される．

C++では11種類以上のタイマが提供されており，それぞれのタイマは性能が異なっている．
そこで，それぞれのタイマの性能を知るためにタイマ性能評価を行った．
性能評価では，タイマの評価指標である分解能とレイテンシーを測定してみた．

分解能
タイマが測定可能な時間粒度を指す．

レイテンシー
タイマの測定遅延時間を指す．

基本的には，分解能とレイテンシーが低いほどタイマの性能が良いことになる．

測定

C++で提供されている代表的なタイマに対して分解能とレイテンシーを測定した．

分解能とレイテンシーの測定方法は参考資料[2]の3章に記載されている方法を参考にした．

使用プログラム

分解能とレイテンシーの測定方法

Windows

WindowsのVisual Studio 2020 communityを用いて11種類のタイマに対して性能評価を行った．

• 開発環境：
  • Visual Studio 2022 community
• PCスペック：
  • OS:Windows10 Pro(64bit)
  • CPU:Intel(R)Core(TM) i9-109000X 3.70Ghz(物理コア数：10, 論理コア数：20)
  • メインメモリ:128GB

タイマ	単位	分解能	レイテンシー	備考
chrono::system_clock	ナノ秒	105.350 ナノ秒	17.796 ナノ秒
chrono::steady_clock	ナノ秒	100.000 ナノ秒	12.929 ナノ秒	chrono::high_resolution_clockと同じ
GetSystemTimePreciseAsFileTime	100ナノ秒	100.000 ナノ秒	16.459 ナノ秒
QueryPerformanceCounter	ナノ秒	100.000 ナノ秒	11.997 ナノ秒
timespec_get	ナノ秒	100.000 ナノ秒	25.699 ナノ秒
GetSystemTimeAsFileTime	100ナノ秒	996.977 マイクロ秒	1.556 ナノ秒
clock	ミリ秒	1.001 ミリ秒	33.060 ナノ秒
GetTickCount	ミリ秒	15.624 ミリ秒	1.560 ナノ秒
GetTickCount64	ミリ秒	15.640 ミリ秒	1.260 ナノ秒
timeGetTime	ミリ秒	1.003 ミリ秒	9.420 ナノ秒	timeBeginPeriod(1)を使用
time	秒	1.000 秒	3.200 ナノ秒

clockはCPU時間である．

Mac

MacのXcodeを用いて11種類のタイマに対して性能評価を行った．

• 開発環境：
  • Xcode 13.2.1
• PCスペック：
  • OS:macOS Montery(Mac mini(M1 2020))
  • CPU:Apple M1
  • メインメモリ:16GB

タイマ	単位	分解能	レイテンシー	備考
chrono::system_clock	ナノ秒	1.001 マイクロ秒	12.101 ナノ秒
chrono::steady_clock	ナノ秒	41.840 ナノ秒	17.675 ナノ秒	chrono::high_resolution_clockと同じ
clock_gettime (CLOCK_REALTIME)	ナノ秒	1.000 マイクロ秒	13.218 ナノ秒
clock_gettime (CLOCK_MONOTONIC)	ナノ秒	1.000 マイクロ秒	18.246 ナノ秒
clock_gettime (CLOCK_MONOTONIC_RAW)	ナノ秒	45.540 ナノ秒	15.546 ナノ秒
clock_gettime (CLOCK_MONOTONIC_RAW_APPROX)	ナノ秒	417.590 マイクロ秒	7.194 ナノ秒	分解能が安定しない
clock_gettime (CLOCK_UPTIME_RAW)	ナノ秒	41.730 ナノ秒	13.759 ナノ秒
clock_gettime (CLOCK_UPTIME_RAW_APPROX)	ナノ秒	318.233 マイクロ秒	6.291 ナノ秒	分解能が安定しない
clock_gettime (CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID)	ナノ秒	1.066 マイクロ秒	244.614 ナノ秒
clock_gettime (CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID)	ナノ秒	141.484 ナノ秒	137.898 ナノ秒
timespec_get	ナノ秒	1.000 マイクロ秒	13.120 ナノ秒
clock	マイクロ秒	1.056 マイクロ秒	238.955 ナノ秒
gettimeofday	マイクロ秒	1.000 マイクロ秒	10.090 ナノ秒
time	秒	1.000 秒	19.400 ナノ秒

clock, clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID), clock_gettime(CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID)はCPU時間である．

clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW_APPROX)とclock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW_APPROX)は分解能が100〜500マイクロ秒でブレることがあるので安定していない．

バラツキ度合いはタイマ分解能精度評価(C++)の記事で記載している。

参考資料

1. cpprefjp - C++日本語リファレンス, https://cpprefjp.github.io
2. Optimized C++ ―最適化、高速化のためのプログラミングテクニック, Kurt Guntheroth (著), 島 敏博 (監修), 黒川 利明 (翻訳), オライリージャパン, 2017年2月.
3. 性能評価プログラム, https://github.com/Ocean00000/TimeEvaluation
4. 碧色工房, https://www.mm2d.net/main/