【C言語】clock関数でプログラムの実行時間の計測

悩んでいる人

C言語でプログラムの実行時間の計測方法を教えて！

こういった悩みにお答えします．

本記事の信頼性

リアルタイムシステムの研究歴12年．
東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Verse（UEFN）, Assembler (x64，ARM)．
東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．

（AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
（スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．

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C言語でプログラムの実行時間の計測

C言語でプログラムの実行時間の計測方法を紹介します．

本記事で紹介する実行時間とは，プログラムが実際に実行した時間（スリープした時間を含まない）のことです．

現在時刻でプログラムの経過時間（スリープした時間を含む）を取得したい場合は，こちらの記事を読むことをおすすめします．

【C言語】time関数で現在時刻の取得

こういった悩みにお答えします．こういった私から学べます． time関数

time_t time(time_t *tloc);

1	time_t time(time_t *tloc);

time関数とは，現在時刻を秒単位で返す関数です．返す値は ...

続きを見る

clock関数

clock_t clock(void);

1	clock_t clock(void);

clock関数は，プログラムが利用したプロセッサ時間の近似値を返します．

返り値は，clock_t単位のCPU時間なので，秒単位の時間を得るためにはCLOCKS_PER_SEC（値は1000000）で割ります．

clock関数を利用するコードは以下になります．

26行目の実行時間をprintf関数で表示する部分では，「end - begin」と引き算しています．

ここで，endでオーバーフローが発生し，beginでオーバーフローが発生しない場合，「end - begin」と引き算するとオーバーフローが発生してしまいます．

この場合，プログラムの実行時間を正しく計測できないことに注意して下さい．

/*
 * Author: Hiroyuki Chishiro
 * License: 2-Clause BSD
 */
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define N 1000000000

void do_work(void)
{
  volatile size_t i;

  for (i = 0; i < N; i++) {
  }
}

int main(void)
{
  clock_t begin, end;

  begin = clock();
  do_work();
  end = clock();

  printf("Execution Time = %lf [s]\n", (double)(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC);

  return 0;
}

* Author: Hiroyuki Chishiro

* License: 2-Clause BSD

#include <stdio.h>

#include <time.h>

#define N 1000000000

void do_work(void)

{

volatile size_t i;

for (i = 0; i < N; i++) {

}

int main(void)

{

clock_t begin, end;

begin = clock();

do_work();

end = clock();

printf("Execution Time = %lf [s]\n", (double)(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC);

return 0;

}

実行結果は以下になります．

$ gcc clock.c
$ a.out      
Execution Time = 1.432980 [s]

$ gcc clock.c

$ a.out

Execution Time = 1.432980 [s]

difftime関数

double difftime(time_t time1, time_t time0);

1	double difftime(time_t time1, time_t time0);

difftime関数は四捨五入して秒単位で実行時間を返す関数です．

difftime関数により，clock.cで発生したオーバーフローの問題を回避することが可能になります．

ここで，POSIXではtime_tは数値型なので，引き算の際に発生する可能性のあるオーバーフローを考慮しない場合，difftime関数は以下のように定義できます．

static inline double difftime(time_t time1, time_t time0)
{
  return (double)(time1 - time0);
}

static inline double difftime(time_t time1, time_t time0)

{

return (double)(time1 - time0);

}

difftime関数を利用してclock関数で実行時間を計測するコードは以下になります．

/*
 * Author: Hiroyuki Chishiro
 * License: 2-Clause BSD
 */
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define N 1000000000

void do_work(void)
{
  volatile size_t i;

  for (i = 0; i < N; i++) {
  }
}

int main(void)
{
  clock_t begin, end;

  begin = clock();
  do_work();
  end = clock();

  printf("Execution Time = %lf [s]\n", difftime(end, begin) / CLOCKS_PER_SEC);

  return 0;
}

* Author: Hiroyuki Chishiro

* License: 2-Clause BSD

#include <stdio.h>

#include <time.h>

#define N 1000000000

void do_work(void)

{

volatile size_t i;

for (i = 0; i < N; i++) {

}

int main(void)

{

clock_t begin, end;

begin = clock();

do_work();

end = clock();

printf("Execution Time = %lf [s]\n", difftime(end, begin) / CLOCKS_PER_SEC);

return 0;

}

実行結果は以下になります．

実行時間の揺らぎはありますが，大体同じくらいになります．

$ gcc difftime.c 
$ a.out 
Execution Time = 1.398520 [s]

$ gcc difftime.c

$ a.out

Execution Time = 1.398520 [s]

clock_gettime関数

int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

1	int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

clock_gettime関数は，指定されたクロックclk_idの時間を取得する関数です．

プログラムの実行時間を計測したい場合，プロセス単位ではCLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID，スレッド単位ではCLOCK_THREAD_CPUTIME_IDをclk_idに設定します．

clock_gettime関数を利用するコードは以下になります．

/*
 * Author: Hiroyuki Chishiro
 * License: 2-Clause BSD
 */
#include <stdio.h>
#include <time.h>

#define N 1000000000
#define SEC2NSEC (1 * 1000 * 1000 * 1000)

void do_work(void)
{
  volatile size_t i;

  for (i = 0; i < N; i++) {
  }
}

void diff_timespec(struct timespec *result, struct timespec *end,
                   struct timespec *begin)
{
  result->tv_sec  = end->tv_sec  - begin->tv_sec;
  result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec;

  if (result->tv_nsec < 0) {
    result->tv_sec--;
    result->tv_nsec += SEC2NSEC;
  }
}

int main(void)
{
  struct timespec tv, tv2, result;

  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &tv);
  do_work();
  clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &tv2);

  diff_timespec(&result, &tv2, &tv);
  printf("Execution Time = %lf [s]\n",
         result.tv_sec + (double) result.tv_nsec / SEC2NSEC);

  return 0;
}

* Author: Hiroyuki Chishiro

* License: 2-Clause BSD

#include <stdio.h>

#include <time.h>

#define N 1000000000

#define SEC2NSEC (1 * 1000 * 1000 * 1000)

void do_work(void)

{

volatile size_t i;

for (i = 0; i < N; i++) {

}

void diff_timespec(struct timespec *result, struct timespec *end,

struct timespec *begin)

{

result->tv_sec = end->tv_sec - begin->tv_sec;

result->tv_nsec = end->tv_nsec - begin->tv_nsec;

if (result->tv_nsec < 0) {

result->tv_sec--;

result->tv_nsec += SEC2NSEC;

}

int main(void)

{

struct timespec tv, tv2, result;

clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &tv);

do_work();

clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &tv2);

diff_timespec(&result, &tv2, &tv);

printf("Execution Time = %lf [s]\n",

result.tv_sec + (double) result.tv_nsec / SEC2NSEC);

return 0;

}

実行結果は以下になります．同様です．

$ gcc clock_gettime.c
$ a.out              
Execution Time = 1.395377 [s]

$ gcc clock_gettime.c

$ a.out

Execution Time = 1.395377 [s]

getrusage関数

int getrusage(int who, struct rusage *usage);

1	int getrusage(int who, struct rusage *usage);

getrusage関数は，資源の使用量を取得する関数です．

getrusage関数では，プログラムの実行時間をユーザ時間とシステム時間でそれぞれ計測できます．

プログラムの実行時間は，ユーザ時間とシステム時間の合計になります．

getrusage関数を利用するコードは以下になります．

/*
 * Author: Hiroyuki Chishiro
 * License: 2-Clause BSD
 */
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>

#define N 1000000000
#define SEC2USEC (1 * 1000 * 1000)

void do_work(void)
{
  volatile size_t i;

  printf("do_work()\n");

  for (i = 0; i < N; i++) {
  }
}

double diff_user_time(struct rusage *end, struct rusage *begin)
{
  time_t tv_sec = end->ru_utime.tv_sec - begin->ru_utime.tv_sec;
  suseconds_t tv_usec = end->ru_utime.tv_usec - begin->ru_utime.tv_usec;

  if (tv_usec < 0) {
    tv_sec--;
    tv_usec += SEC2USEC;
  }

  return (double)(tv_sec * SEC2USEC + tv_usec);
}

double diff_system_time(struct rusage *end, struct rusage *begin)
{
  time_t tv_sec = end->ru_stime.tv_sec - begin->ru_stime.tv_sec;
  suseconds_t tv_usec = end->ru_stime.tv_usec - begin->ru_stime.tv_usec;

  if (tv_usec < 0) {
    tv_sec--;
    tv_usec += SEC2USEC;
  }

  return (double)(tv_sec * SEC2USEC + tv_usec);
}

int main(void)
{
  struct rusage ru, ru2;
  double diff, diff2;
  getrusage(RUSAGE_SELF, &ru);
  do_work();
  getrusage(RUSAGE_SELF, &ru2);

  diff = diff_user_time(&ru2, &ru);
  diff2 = diff_system_time(&ru2, &ru);

  printf("User Time = %lf [s]\n",  diff / SEC2USEC);
  printf("System Time = %lf [s]\n", diff2 / SEC2USEC);
  printf("Execution Time (User Time + System Time) = %lf [s]\n",
         (diff + diff2) / SEC2USEC);

  return 0;
}

* Author: Hiroyuki Chishiro

* License: 2-Clause BSD

#include <stdio.h>

#include <time.h>

#include <sys/time.h>

#include <sys/resource.h>

#define N 1000000000

#define SEC2USEC (1 * 1000 * 1000)

void do_work(void)

{

volatile size_t i;

printf("do_work()\n");

for (i = 0; i < N; i++) {

}

double diff_user_time(struct rusage *end, struct rusage *begin)

{

time_t tv_sec = end->ru_utime.tv_sec - begin->ru_utime.tv_sec;

suseconds_t tv_usec = end->ru_utime.tv_usec - begin->ru_utime.tv_usec;

if (tv_usec < 0) {

tv_sec--;

tv_usec += SEC2USEC;

}

return (double)(tv_sec * SEC2USEC + tv_usec);

}

double diff_system_time(struct rusage *end, struct rusage *begin)

{

time_t tv_sec = end->ru_stime.tv_sec - begin->ru_stime.tv_sec;

suseconds_t tv_usec = end->ru_stime.tv_usec - begin->ru_stime.tv_usec;

if (tv_usec < 0) {

tv_sec--;

tv_usec += SEC2USEC;

}

return (double)(tv_sec * SEC2USEC + tv_usec);

}

int main(void)

{

struct rusage ru, ru2;

double diff, diff2;

getrusage(RUSAGE_SELF, &ru);

do_work();

getrusage(RUSAGE_SELF, &ru2);

diff = diff_user_time(&ru2, &ru);

diff2 = diff_system_time(&ru2, &ru);

printf("User Time = %lf [s]\n", diff / SEC2USEC);

printf("System Time = %lf [s]\n", diff2 / SEC2USEC);

printf("Execution Time (User Time + System Time) = %lf [s]\n",

(diff + diff2) / SEC2USEC);

return 0;

}

実行結果は以下になります．

$ gcc getrusage.c
$ a.out          
do_work()
User Time = 1.378815 [s]
System Time = 0.002499 [s]
Execution Time (User Time + System Time) = 1.381314 [s]

$ gcc getrusage.c

$ a.out

do_work()

User Time = 1.378815 [s]

System Time = 0.002499 [s]

Execution Time (User Time + System Time) = 1.381314 [s]

まとめ

C言語のclock関数でプログラムの実行時間の計測方法を紹介しました．

また，difftime関数，clock_gettime関数，getrusage関数の使い方も解説しました．

C言語を独学で習得することは難しいです．

私にC言語の無料相談をしたいあなたは，公式LINE「ChishiroのC言語」の友だち追加をお願い致します．

私のキャパシティもあり，一定数に達したら終了しますので，今すぐ追加しましょう！

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