一：背景

1. 講故事

在用 dotTrace 對(duì)程序進(jìn)行性能評(píng)測(cè)的時(shí)候，有一個(gè)非常重要的概念需要使用者明白，那就是 時(shí)間度量 (Time measurement)，主要分為兩種。

• 墻鐘時(shí)間
• 線(xiàn)程時(shí)間

在 dotTrace 中有四種測(cè)量維度，其中 Real time 對(duì)應(yīng)著 墻鐘時(shí)間，截圖如下：

二：時(shí)間度量分析

1. 墻鐘時(shí)間

墻鐘時(shí)間 顧名思義就是墻上的時(shí)鐘，只要給它上電它就能跑，無(wú)視這人世間發(fā)生的任何變化，屹立千年而不倒。

用程序的話(huà)術(shù)就是它可以追蹤到線(xiàn)程的 上班時(shí)間 和 下班時(shí)間，在 dottrace 中用 performance counter 和 cpu instruction 兩種方式，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)前者是后者的包裝。

如果有朋友比較懵的話(huà)，可以用 C 調(diào)一下對(duì)應(yīng)的 Win32 api 就明白了，參考代碼如下：

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

// 1. Real Time (Performance Counter)
void measure_real_time_perf_counter() {

	LARGE_INTEGER freq, start, end;
	QueryPerformanceFrequency(&freq);
	QueryPerformanceCounter(&start);
	// 模擬工作負(fù)載（Sleep 不占用 CPU 時(shí)間）
	Sleep(100);
	QueryPerformanceCounter(&end);
	double elapsed = (double)(end.QuadPart - start.QuadPart) / freq.QuadPart;
	printf("RealTime (Performance Counter): %.2f ms\n", elapsed * 1000);
}

// 2. Real Time (CPU TSC)
void measure_cpu_tsc() {
	unsigned __int64 start = __rdtsc();
	// 模擬工作負(fù)載（注意：Sleep 不會(huì)增加 TSC）
	Sleep(100);  // 此處僅為演示，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)使用 CPU 密集型操作
	unsigned __int64 end = __rdtsc();
	printf("RealTime (CPU TSC): %llu cycles\n", end - start);
}

int main() {
	printf("----- Measuring Time with Win32 APIs -----\n");
	measure_real_time_perf_counter();
	measure_cpu_tsc();
	return 0;
}

從卦中可以看到這兩種模式都可以追蹤到線(xiàn)程的 下班時(shí)間，接下來(lái)稍微解釋下。

1. QueryPerformanceCounter，QueryPerformanceFrequency

上面的 QueryPerformanceCounter 是Windows硬件定時(shí)器的計(jì)數(shù)，而 QueryPerformanceFrequency 是這個(gè)定時(shí)器的時(shí)鐘頻率 （速度），所以時(shí)間值可以用小學(xué)的公式 T= S/V 算出來(lái)。

2. __rdtsc

tsc 是cpucore中的一個(gè)硬件寄存器，這個(gè)寄存器記錄了cpu上電之后的時(shí)鐘周期數(shù)，要想算出時(shí)間需要知道cpu的時(shí)鐘頻率，截圖如下：

有些朋友就說(shuō)了，你拿 差值/2.2GHZ 不就是時(shí)間嗎？這么算的話(huà)其實(shí)不準(zhǔn)的，因?yàn)?2.2GHZ 是基準(zhǔn)頻率，CPU在工作時(shí)會(huì)有上下浮動(dòng)，比如寫(xiě)到這里的時(shí)候，當(dāng)前的CPU的頻率是4.93Ghz，這個(gè)就差的有點(diǎn)大了，截圖如下：

所以比較合理的做法需要校準(zhǔn)下 時(shí)鐘頻率，我覺(jué)得 dottrace 內(nèi)部應(yīng)該是這么做的，畢竟這東西是閉源的，為了最簡(jiǎn)化，這里就用一個(gè)硬編碼，參考如下：

// 2. Real Time (CPU TSC)
void measure_cpu_tsc() {

	double CPU_FREQUENCY_GHZ = 2.2;  // 例如 2.2 GHz

	unsigned __int64 start = __rdtsc();

	Sleep(100);  // 實(shí)際應(yīng)用應(yīng)替換為 CPU 密集型操作
	unsigned __int64 end = __rdtsc();

	// 計(jì)算時(shí)間（毫秒）：
	// 1. 計(jì)算時(shí)鐘周期差值
	unsigned __int64 cycles = end - start;
	// 2. 轉(zhuǎn)換為秒：cycles / (frequency in Hz)
	double seconds = (double)cycles / (CPU_FREQUENCY_GHZ * 1e9);
	// 3. 轉(zhuǎn)換為毫秒
	double milliseconds = seconds * 1000.0;

	printf("RealTime (CPU TSC): %.2f ms\n", milliseconds);
}

2. 線(xiàn)程時(shí)間

線(xiàn)程時(shí)間 它追蹤的是 線(xiàn)程活動(dòng)的時(shí)間，即線(xiàn)程的上班時(shí)間，同樣 dottrace 也支持兩種，分別為 Thread cycle time 和 Thread time ，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是直接調(diào)用 Win32 Api 算出來(lái)的，參考代碼如下：

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


// 1. Thread Time (User + Kernel Mode CPU Time)
void measure_thread_time() {
	FILETIME creation, exit, kernel_start, user_start, kernel_end, user_end;
	HANDLE thread = GetCurrentThread();
	GetThreadTimes(thread, &creation, &exit, &kernel_start, &user_start);
	// 模擬 CPU 密集型工作
	volatile int sum = 0;
	for (int i = 0; i < 500000000; i++) sum += i;
	GetThreadTimes(thread, &creation, &exit, &kernel_end, &user_end);

	// 將 FILETIME（100ns 單位）轉(zhuǎn)換為微秒
	ULARGE_INTEGER kernel_time, user_time;
	kernel_time.LowPart = kernel_end.dwLowDateTime - kernel_start.dwLowDateTime;
	kernel_time.HighPart = kernel_end.dwHighDateTime - kernel_start.dwHighDateTime;
	user_time.LowPart = user_end.dwLowDateTime - user_start.dwLowDateTime;
	user_time.HighPart = user_end.dwHighDateTime - user_start.dwHighDateTime;

	printf("Thread Time: Kernel=%.2f ms, User=%.2f ms\n",
		kernel_time.QuadPart / 10000.0,
		user_time.QuadPart / 10000.0);
}

// 2. Thread Cycle Time
void measure_thread_cycle_time() {
	ULONG64 start, end;
	HANDLE thread = GetCurrentThread();
	QueryThreadCycleTime(thread, &start);
	// 模擬 CPU 密集型工作
	volatile int sum = 0;
	for (int i = 0; i < 500000000; i++) sum += i;
	QueryThreadCycleTime(thread, &end);
	printf("Thread Cycle Time: %llu cycles\n", end - start);
}

int main() {
	printf("----- Measuring Time with Win32 APIs -----\n");
	measure_thread_time();
	measure_thread_cycle_time();
	return 0;
}

同樣的也來(lái)稍微解讀下。

1. GetThreadTimes

這個(gè)方法是直接獲取線(xiàn)程內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) KThread 里的 KernelTime 和 UserTime 字段，我可以用 windbg 給大家演示下。

lkd> !process 0 2 notepad.exe
PROCESS ffffb98d5cc1a080
    SessionId: none  Cid: 6af4    Peb: ed94d6c000  ParentCid: 22a0
    DirBase: 3f045a000  ObjectTable: ffffe1039bf39040  HandleCount: 848.
    Image: Notepad.exe

        THREAD ffffb98d5f0a3080  Cid 6af4.60cc  Teb: 000000ed94d6d000 Win32Thread: ffffb98d69a53e20 WAIT: (WrUserRequest) UserMode Non-Alertable
            ffffb98d6d64a9c0  QueueObject

        THREAD ffffb98d8766c080  Cid 6af4.3894  Teb: 000000ed94d6f000 Win32Thread: 0000000000000000 WAIT: (Unknown) UserMode Alertable
            ffffb98d78286140  QueueObject
    ...

lkd> dt nt!_KTHREAD ffffb98d5f0a3080 -y KernelTime UserTime
   +0x28c KernelTime : 4
   +0x2dc UserTime   : 2

要注意的是上面的字段是 100納秒 為單位的，即 100納秒=0.1ms，所以上面分別為 0.4ms 和 0.2ms。

2. QueryThreadCycleTime

在 _KTHREAD 中有一個(gè)字段 CycleTime，當(dāng)線(xiàn)程上班和線(xiàn)程下班時(shí)都要打卡到 CycleTime 字段里，同樣也可以用windbg 驗(yàn)證。

lkd> dt nt!_KTHREAD ffffb98d5f0a3080 -y CycleTime
   +0x048 CycleTime : 0x6db6621

lkd> ? 0x6db6621
Evaluate expression: 115041825 = 00000000`06db6621

接下來(lái)就是如何將時(shí)鐘周期差值轉(zhuǎn)為 ms 呢？這需要知道CPU當(dāng)時(shí)的時(shí)鐘頻率，同樣我也簡(jiǎn)化一下，參考代碼如下：

// 2. Thread Cycle Time
void measure_thread_cycle_time() {
	ULONG64 start, end;
	HANDLE thread = GetCurrentThread();
	QueryThreadCycleTime(thread, &start);

	volatile int sum = 0;
	for (int i = 0; i < 500000000; i++) sum += i;

	QueryThreadCycleTime(thread, &end);

	const double CPU_FREQUENCY_GHZ = 2.2;  // 假設(shè) CPU 主頻 2.2 GHz
	double milliseconds = (double)(end - start) / (CPU_FREQUENCY_GHZ * 1e6);  // 直接計(jì)算毫秒

	printf("Thread Cycle Time: %.2f ms\n", milliseconds);
}

哈哈，這兩個(gè)值偏差還是有點(diǎn)大哈。

三：總結(jié)

理解墻鐘時(shí)間和線(xiàn)程時(shí)間的底層原理，對(duì)我們后續(xù)的場(chǎng)景分析特別有用，比如前者適合分析為什么程序卡死？后者適合分析是哪些線(xiàn)程吃了那么多的CPU？

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