如何使用C# Stopwatch 测量微秒级精确度
作者：黑暗执行绪
跟同事讨论到- 用C# Stopwatch 取得效能数值，Stopwatch.ElapsedMilliseconds 只到毫秒(ms)，如果需要更高的时间精确度(微秒μs，甚至奈秒ns)，该怎么做？
原以为要费番功夫，在Stackoverlow查到讨论，答案意外地简单。
准备测试程式如下，比较MD5 及SHA1 计算1MB byte[] 杂凑值所秏费时间：
static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
static void Main(string[] args)
{
Test1();
Console.ReadLine();
}
private static void Test1()
{
Console.WriteLine("Test 1");
for (var i = 0; i < 5; i++)
{
Stopwatch sw = new Stopwatch();
sw.Start();
var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
Console.WriteLine($"MD5 {sw.ElapsedMilliseconds}ms");
sw.Restart();
var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
Console.WriteLine($"SHA1 {sw.ElapsedMilliseconds}ms");
}
}
执行结果如下：
Test 1 MD5 10ms SHA1 2ms MD5 2ms SHA1 2ms MD5 2ms SHA1 2ms MD5 2ms SHA1 2ms MD5 2ms SHA1 2ms
有两个问题，第一是回圈的第一次执行因涉及.NET 初始化，耗时会异常偏高(先做SHA1 再做MD5，就变成第一笔SHA1 超过10ms)，第二是MD5 与SHA1 执行时间相近，都是2ms 多，用ElapsedMilliseconds 看不出差异。
针对首次数值耗时偏差问题，除了略过第一次数据不计，我想到的另一个解法是在Test1()前先跑一次MD5.Create()完成相关初始化。至于ElapsedMilliseconds看不出差异问题，改用ElapsedTicks是种解法，但要注意，ElaspedTicks换算成时间单位时，不是除以TimeSpan.TicksPerMillisecond而是依CPU频率而定，需使用Stopwatch.Frequency (每秒Tick数)。
第二版改用ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency 计算微秒(Microsecond, μs)，执行前先MD5.Create() 暖机。
static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
static void Main(string[] args)
{
MD5.Create();
Test2();
Console.ReadLine();
}
private static void Test2()
{
Console.WriteLine("Test 2");
for (var i = 0; i < 5; i++)
{
Stopwatch sw = new Stopwatch();
sw.Start();
var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
//
Console.WriteLine($"MD5 {sw.ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency:n3}μs");
sw.Restart();
var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
Console.WriteLine($"SHA1 {sw.ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency:n3}μs");
}
}
执行结果的第一次时间偏长问题消失，而也呈现出SHA1 比MD5 计算耗时的证据。而由数值来看，精确度可到0.1μs = 100ns。
Test 2 MD5 2,402.200μs SHA1 2,724.000μs MD5 2,017.300μs SHA1 2,576.900μs MD5 2,102.100μs SHA1 2,578.700μs MD5 2,024.100μs SHA1 2,600.300μs MD5 2,008.300μs SHA1 2,624.300μs
自己计算麻烦了点，Stopwatch 有个Elapsed 属性，型别为TimeSpan，其中TotalMilliseconds 属性精确度即可达到μs 及100ns。请看第三版：
static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
static void Main(string[] args)
{
MD5.Create();
Test3();
Console.ReadLine();
}
private static void Test3()
{
Console.WriteLine("Test 3");
for (var i = 0; i < 5; i++)
{
Stopwatch sw = new Stopwatch();
sw.Start();
var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
Console.WriteLine($"MD5 {sw.Elapsed.TotalMilliseconds * 1000:n3}μs");
sw.Restart();
var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
sw.Stop();
Console.WriteLine($"SHA1 {sw.Elapsed.TotalMilliseconds * 1000:n3}μs");
}
}
执行结果与第二版相同，但程式更简单一些。
Test 3 MD5 2,423.400μs SHA1 2,692.400μs MD5 2,204.000μs SHA1 2,976.800μs MD5 2,094.500μs SHA1 2,588.600μs MD5 2,034.600μs SHA1 2,598.900μs MD5 2,029.900μs SHA1 2,887.000μs
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