C语言time函数与shell时间命令有何区别？

Shell 内置的 time (例如在 Bash 中)

当你直接在终端输入 time 时，你使用的是 Shell（如 Bash、Zsh）内置的 time 关键字，它非常方便,但功能相对有限。

基本用法

# 测量一个简单命令的执行时间
$ time sleep 2
real    0m2.005s
user    0m0.000s
sys     0m0.002s

输出详解

• real (实际时间 / wall-clock time): 从命令开始到结束所经过的真实世界时间，这是你从时钟上看到的时间流逝，它包括了命令执行本身、等待I/O（如读写文件、网络请求）、以及被操作系统调度其他进程所消耗的时间。
• user (用户CPU时间): 命令在用户态下消耗的CPU时间,这是程序执行自己代码所花费的时间。
• sys (系统CPU时间): 命令在内核态下消耗的CPU时间，这是程序请求操作系统内核服务（如文件读写、内存分配）所花费的时间。

总CPU时间 = user + sys。

对于 sleep 2 这样的命令，它大部分时间都在等待，real 时间远大于 user 和 sys 时间之和，对于一个CPU密集型任务（如编译代码），user 和 sys 时间之和会接近 real 时间。

局限性

1. 功能有限：只能显示这三个基本的时间信息。
2. 精度较低：time 命令本身的输出精度通常是秒级，虽然它内部可能测量得更精确,但显示结果被截断了。
3. 无法测量复杂管道：这是它最大的一个限制。

# 这是一个错误的用法，只会测量 ls 的执行时间
$ time ls -l | grep "my_file"
real    0m0.002s
user    0m0.001s
sys     0m0.001s
# 你看不到 grep 的执行时间

外部命令 /usr/bin/time

为了克服内置 time 的限制，Linux 和 macOS 系统都提供了一个功能更强大的外部命令，通常位于 /usr/bin/time，它的输出更详细,精度也更高。

基本用法

为了避免与 Shell 内置的 time 冲突,你需要使用以下几种方式之一来调用它：

# 使用完整路径
$ /usr/bin/time ls
# 使用 command 关键字（推荐）
$ command time ls
# 在脚本中，通常使用绝对路径

强大的输出信息

外部 time 命令的输出非常丰富，你可以通过设置环境变量 TIMEFORMAT 来自定义输出格式,或者直接使用其默认的详细输出。

示例 1：测量一个C程序的编译

$ /usr/bin/time gcc -O2 my_program.c -o my_program
0.03user 0.01system 0:00.04elapsed 99%CPU (0avgtext+0avgdata 2328maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+105minor)pagefaults 0swaps

输出详解（从左到右）：

• 03user: 用户态CPU时间（秒）。
• 01system: 系统态CPU时间（秒）。
• 0:00.04elapsed: 实际经过时间（分:秒）。
• 99%CPU: CPU利用率。
• (0avgtext+0avgdata 2328maxresident)k: 内存使用情况。
  • avgtext: 平均文本段大小（代码）。
  • avgdata: 平均数据段大小。
  • maxresident: 最大常驻内存集大小（KB）。
• 0inputs+0outputs: I/O 操作统计。
• (0major+105minor)pagefaults: 页错误统计。
  • major: 重大页错误（需要从磁盘读取）。
  • minor: 次要页错误（在内存中找到，但需要处理）。
• 0swaps: 交换次数。

示例 2：正确测量整个管道

这是外部 time 相对于内置 time 的巨大优势。

# 这会测量 ls 和 grep 的总执行时间和资源消耗
$ /usr/bin/time ls -l | grep "my_file"

自定义输出格式

你可以通过 TIMEFORMAT 环境变量来指定你想要的输出格式，类似于 printf 的格式化字符串。

# 设置只显示实际时间，精确到小数点后3位
$ export TIMEFORMAT="%3R seconds"
$ /usr/bin/time sleep 1.234
1.234 seconds

TIMEFORMAT 中常用的格式说明符：

• %R: 实际时间（秒）,浮点数。
• %U: 用户CPU时间（秒）。
• %S: 系统CPU时间（秒）。
• %P: CPU利用率（百分比）。

C 语言中的 time.h

现在我们转向 C 语言本身，C 语言通过标准库 <time.h> 提供了测量时间的函数,让你可以在程序内部进行高精度的性能分析。

主要函数和数据结构

1. clock_t clock(void):

   • 功能: 返回自程序启动以来,处理器所消耗的时钟滴答数。
   • 头文件: <time.h>
   • 精度: 取决于 CLOCKS_PER_SEC 的值,通常是毫秒级。
   • 特点: 它测量的是CPU时间，而不是真实时间，如果一个程序大部分时间都在等待I/O，clock() 返回的时间会很少。

   #include <stdio.h>
   #include <time.h>
   int main() {
       clock_t start, end;
       double cpu_time_used;
       start = clock();
       // 要测量的代码块
       for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
           // do something
       }
       end = clock();
       cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;
       printf("CPU time used: %f seconds\n", cpu_time_used);
       return 0;
   }

2. *`time_t time(time_t timer)`**:

   • 功能: 返回自 Epoch (1970-01-01 00:00:00 UTC) 以来的秒数，这是一个真实世界时间。
   • 头文件: <time.h>
   • 精度: 秒级。
   • 用途: 主要用于获取当前时间戳,而不是测量代码执行时间。

3. int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz):

   • 功能: 获取当前时间，精度为微秒（microseconds），这是测量代码执行时间的首选方法之一,因为它同时提供了秒和微秒。
   • 头文件: <sys/time.h> (非标准，但在几乎所有Unix-like系统上都可用)
   • 特点: 测量的是真实时间。

   #include <stdio.h>
   #include <sys/time.h>
   int main() {
       struct timeval start, end;
       long long elapsed;
       gettimeofday(&start, NULL);
       // 要测量的代码块
       for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
           // do something
       }
       gettimeofday(&end, NULL);
       elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000LL;
       elapsed += (end.tv_usec - start.tv_usec);
       printf("Time elapsed: %lld microseconds\n", elapsed);
       return 0;
   }

4. *`int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec tp)`**:

   • 功能: POSIX 标准推荐的高精度时间获取函数，比 gettimeofday 更现代、更灵活。
   • 头文件: <time.h>
   • 精度: 纳秒级（实际精度取决于系统）。
   • clk_id: 可以指定时钟类型。
     • CLOCK_REALTIME: 类似于 time(),返回真实世界时间。
     • CLOCK_MONOTONIC: 推荐用于性能测量，它返回一个单调递增的时间，不受系统时间更改（如NTP同步或手动修改时间）的影响。
     • CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID: 测量当前进程的CPU时间，类似于 clock() 但精度更高。

   #include <stdio.h>
   #include <time.h>
   int main() {
       struct timespec start, end;
       long long elapsed;
       clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
       // 要测量的代码块
       for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
           // do something
       }
       clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);
       elapsed = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000000LL;
       elapsed += (end.tv_nsec - start.tv_nsec);
       printf("Time elapsed: %lld nanoseconds\n", elapsed);
       return 0;
   }

总结与最佳实践

• 在 Shell 外部测量命令：用 /usr/bin/time。
• 在 C 程序内部测量代码：用 clock_gettime。