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[C言語] 処理の経過時間をミリ秒単位で計測する方法

2025-01-18更新日: 2025-01-18

C言語で処理の経過時間をミリ秒単位で計測するには、time.hヘッダーファイルを使用します。

具体的には、clock()関数を用いてプログラムの開始時と終了時のクロック数を取得し、その差を計算します。

この差をCLOCKS_PER_SECで割ることで、秒単位の経過時間を得ることができます。

さらに、秒単位の経過時間を1000倍することでミリ秒単位に変換できます。

ただし、clock()関数の精度はシステム依存であり、ミリ秒単位の精度を保証するものではないため、注意が必要です。

目次から探す

clock()関数を用いた経過時間の計測
gettimeofday()関数を用いた経過時間の計測
C11標準のtimespec_get()関数を用いた計測
応用例
まとめ

clock()関数を用いた経過時間の計測

C言語でプログラムの実行時間を計測する際に、clock()関数は非常に便利です。

この関数は、プログラムの開始から現在までのプロセッサ時間を取得するために使用されます。

以下では、clock()関数の基本的な使い方から、ミリ秒単位での経過時間の計算方法、そしてその精度と制限について解説します。

clock()関数の基本的な使い方

clock()関数は、<time.h>ヘッダーに定義されており、プログラムの実行時間を計測するために使用されます。

以下に基本的な使い方を示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main() {
    // 開始時間を取得
    clock_t start = clock();
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    clock_t end = clock();
    // 経過時間を秒単位で計算
    double elapsed_time = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("経過時間: %f 秒\n", elapsed_time);
    return 0;
}

このプログラムでは、clock()関数を用いて処理の開始時間と終了時間を取得し、その差をCLOCKS_PER_SECで割ることで経過時間を秒単位で計算しています。

経過時間をミリ秒に変換する方法

clock()関数で得られる時間は、プロセッサ時間を表しており、通常は秒単位で計算されます。

しかし、ミリ秒単位での精度が必要な場合もあります。

以下にミリ秒単位での計算方法を示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main() {
    // 開始時間を取得
    clock_t start = clock();
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    clock_t end = clock();
    // 経過時間をミリ秒単位で計算
    double elapsed_time_ms = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC * 1000;
    printf("経過時間: %f ミリ秒\n", elapsed_time_ms);
    return 0;
}

このプログラムでは、秒単位の経過時間を1000倍することでミリ秒単位に変換しています。

clock()関数の精度と制限

clock()関数は便利ですが、いくつかの制限があります。

以下にその精度と制限についてまとめます。

項目	内容
精度	`clock()関数`の精度は、システムの`CLOCKS_PER_SEC`に依存します。通常、1秒あたりのクロック数は1000または1000000です。
制限	`clock()関数`はプロセッサ時間を計測するため、マルチスレッド環境やI/O待ち時間を含む場合には正確な経過時間を反映しないことがあります。
オーバーフロー	`clock_t型`は通常、32ビット整数であるため、長時間の計測ではオーバーフローが発生する可能性があります。

clock()関数を使用する際は、これらの制限を考慮し、必要に応じて他の時間計測手法を検討することが重要です。

gettimeofday()関数を用いた経過時間の計測

gettimeofday()関数は、C言語で高精度な時間計測を行うための関数です。

この関数は、システムの現在時刻をマイクロ秒単位で取得することができ、timeval構造体を用いてその情報を格納します。

以下では、gettimeofday()関数の基本的な使い方から、timeval構造体の理解、ミリ秒単位での計測方法、そしてその精度と制限について解説します。

gettimeofday()関数の基本的な使い方

gettimeofday()関数は、<sys/time.h>ヘッダーに定義されており、現在の時刻を取得するために使用されます。

以下に基本的な使い方を示します。

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
int main() {
    struct timeval start, end;
    // 開始時間を取得
    gettimeofday(&start, NULL);
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    gettimeofday(&end, NULL);
    // 経過時間を秒単位で計算
    double elapsed_time = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_usec - start.tv_usec) / 1000000.0;
    printf("経過時間: %f 秒\n", elapsed_time);
    return 0;
}

このプログラムでは、gettimeofday()関数を用いて処理の開始時間と終了時間を取得し、その差を計算することで経過時間を求めています。

timeval構造体の理解

timeval構造体は、gettimeofday()関数で使用されるデータ型で、以下の2つのメンバを持ちます。

メンバ名	説明
`tv_sec`	秒単位の時間を表す。
`tv_usec`	マイクロ秒単位の時間を表す。

この構造体を用いることで、秒とマイクロ秒の両方を取得することができ、高精度な時間計測が可能になります。

ミリ秒単位での計測方法

gettimeofday()関数を用いてミリ秒単位での経過時間を計測する方法を以下に示します。

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
int main() {
    struct timeval start, end;
    // 開始時間を取得
    gettimeofday(&start, NULL);
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    gettimeofday(&end, NULL);
    // 経過時間をミリ秒単位で計算
    double elapsed_time_ms = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000.0 + (end.tv_usec - start.tv_usec) / 1000.0;
    printf("経過時間: %f ミリ秒\n", elapsed_time_ms);
    return 0;
}

このプログラムでは、秒単位の差を1000倍し、マイクロ秒単位の差を1000で割ることで、ミリ秒単位の経過時間を計算しています。

gettimeofday()関数の精度と制限

gettimeofday()関数は高精度な時間計測を可能にしますが、いくつかの制限があります。

以下にその精度と制限についてまとめます。

項目	内容
精度	マイクロ秒単位での精度を持ち、非常に高精度な時間計測が可能です。
制限	システムクロックに依存するため、システム時刻の変更(例：NTPによる時刻同期)に影響を受ける可能性があります。
ポータビリティ	POSIX標準の関数であるため、Windows環境では直接使用できません。 Windowsでの使用には、代替手段が必要です。

gettimeofday()関数を使用する際は、これらの制限を考慮し、必要に応じて他の時間計測手法を検討することが重要です。

C11標準のtimespec_get()関数を用いた計測

C11標準で導入されたtimespec_get()関数は、より高精度な時間計測を行うための手段を提供します。

この関数は、timespec構造体を用いてナノ秒単位での時間を取得することができ、精度の高い時間計測が可能です。

以下では、timespec_get()関数の基本的な使い方から、timespec構造体の理解、ミリ秒単位での計測方法、そしてその精度と制限について解説します。

timespec_get()関数の基本的な使い方

timespec_get()関数は、<time.h>ヘッダーに定義されており、現在の時刻をナノ秒単位で取得するために使用されます。

以下に基本的な使い方を示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main() {
    struct timespec start, end;
    // 開始時間を取得
    timespec_get(&start, TIME_UTC);
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    timespec_get(&end, TIME_UTC);
    // 経過時間を秒単位で計算
    double elapsed_time = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.0;
    printf("経過時間: %f 秒\n", elapsed_time);
    return 0;
}

このプログラムでは、timespec_get()関数を用いて処理の開始時間と終了時間を取得し、その差を計算することで経過時間を求めています。

timespec構造体の理解

timespec構造体は、timespec_get()関数で使用されるデータ型で、以下の2つのメンバを持ちます。

メンバ名	説明
`tv_sec`	秒単位の時間を表す。
`tv_nsec`	ナノ秒単位の時間を表す。

この構造体を用いることで、秒とナノ秒の両方を取得することができ、非常に高精度な時間計測が可能になります。

ミリ秒単位での計測方法

timespec_get()関数を用いてミリ秒単位での経過時間を計測する方法を以下に示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main() {
    struct timespec start, end;
    // 開始時間を取得
    timespec_get(&start, TIME_UTC);
    // 計測したい処理
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    // 終了時間を取得
    timespec_get(&end, TIME_UTC);
    // 経過時間をミリ秒単位で計算
    double elapsed_time_ms = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000.0 + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000.0;
    printf("経過時間: %f ミリ秒\n", elapsed_time_ms);
    return 0;
}

このプログラムでは、秒単位の差を1000倍し、ナノ秒単位の差を1000000で割ることで、ミリ秒単位の経過時間を計算しています。

timespec_get()関数の精度と制限

timespec_get()関数は非常に高精度な時間計測を可能にしますが、いくつかの制限があります。

以下にその精度と制限についてまとめます。

項目	内容
精度	ナノ秒単位での精度を持ち、非常に高精度な時間計測が可能です。
制限	C11標準の一部であるため、C11に対応していないコンパイラでは使用できません。
ポータビリティ	C11に準拠した環境であれば使用可能ですが、古い環境ではサポートされていないことがあります。

timespec_get()関数を使用する際は、これらの制限を考慮し、必要に応じて他の時間計測手法を検討することが重要です。

応用例

時間計測は、さまざまな分野で応用され、特にパフォーマンスの最適化やリアルタイム処理において重要な役割を果たします。

以下では、具体的な応用例として、ゲーム開発におけるフレームレートの計測、ネットワーク通信の遅延時間の計測、パフォーマンスチューニングにおける関数実行時間の計測について解説します。

ゲーム開発におけるフレームレートの計測

ゲーム開発では、フレームレート(FPS: Frames Per Second)の計測が重要です。

フレームレートは、ゲームの滑らかさや応答性に直接影響を与えるため、開発者はこれを最適化する必要があります。

以下にフレームレートの計測方法を示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main() {
    struct timespec start, end;
    double fps;
    // ゲームループの開始時間を取得
    timespec_get(&start, TIME_UTC);
    // ゲームループの処理
    // ここにゲームの描画や更新処理を記述
    // ゲームループの終了時間を取得
    timespec_get(&end, TIME_UTC);
    // フレームレートを計算
    double elapsed_time = (end.tv_sec - start.tv_sec) + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.0;
    fps = 1.0 / elapsed_time;
    printf("フレームレート: %f FPS\n", fps);
    return 0;
}

このプログラムでは、1フレームの処理時間を計測し、その逆数を取ることでフレームレートを計算しています。

ネットワーク通信の遅延時間の計測

ネットワーク通信において、遅延時間の計測は、通信の効率性や応答性を評価するために重要です。

以下にネットワーク通信の遅延時間を計測する方法を示します。

#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
int main() {
    struct timeval start, end;
    // 通信開始時間を取得
    gettimeofday(&start, NULL);
    // ネットワーク通信処理
    // ここに通信の送信・受信処理を記述
    // 通信終了時間を取得
    gettimeofday(&end, NULL);
    // 遅延時間をミリ秒単位で計算
    double latency_ms = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000.0 + (end.tv_usec - start.tv_usec) / 1000.0;
    printf("通信遅延時間: %f ミリ秒\n", latency_ms);
    return 0;
}

このプログラムでは、通信の開始と終了の時間を計測し、その差をミリ秒単位で計算することで遅延時間を求めています。

パフォーマンスチューニングにおける関数実行時間の計測

プログラムのパフォーマンスを向上させるためには、特定の関数や処理の実行時間を計測し、ボトルネックを特定することが重要です。

以下に関数実行時間の計測方法を示します。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
// 計測したい関数
void exampleFunction() {
    for (int i = 0; i < 1000000; i++);
}
int main() {
    struct timespec start, end;
    // 関数実行開始時間を取得
    timespec_get(&start, TIME_UTC);
    // 関数の実行
    exampleFunction();
    // 関数実行終了時間を取得
    timespec_get(&end, TIME_UTC);
    // 実行時間をミリ秒単位で計算
    double execution_time_ms = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000.0 + (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000.0;
    printf("関数実行時間: %f ミリ秒\n", execution_time_ms);
    return 0;
}