Windows及WSL2 Ubuntu下C++测量排序算法CPU执行时间方案

Linux/WSL2 Ubuntu 环境实现 #

在WSL2的Ubuntu环境下，优先使用POSIX标准的进程CPU时间测量接口，完全不受系统其他进程干扰，且支持长时间计时：

方案1：clock_gettime（推荐） #

使用CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID时钟，专门统计当前进程的总CPU时间（用户态+内核态），精度可达纳秒级，且时间戳为64位，无溢出风险。

#include <time.h>

// 记录起始时间
struct timespec start, end;
clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start);

// 执行你的快速排序算法
your_quicksort_function(data, size);

// 记录结束时间
clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end);

// 计算CPU时间（秒）
double cpu_time_sec = (end.tv_sec - start.tv_sec) + 
                      (end.tv_nsec - start.tv_nsec) / 1000000000.0;

方案2：getrusage #

可以分开统计用户态和内核态的CPU时间，适合需要更细致分析的场景：

#include <sys/resource.h>

struct rusage start_ru, end_ru;
getrusage(RUSAGE_SELF, &start_ru);

// 执行排序
your_quicksort_function(data, size);

getrusage(RUSAGE_SELF, &end_ru);

// 计算用户态CPU时间（毫秒）
long user_ms = (end_ru.ru_utime.tv_sec - start_ru.ru_utime.tv_sec) * 1000 +
               (end_ru.ru_utime.tv_usec - start_ru.ru_utime.tv_usec) / 1000;
// 计算内核态CPU时间（毫秒）
long sys_ms = (end_ru.ru_stime.tv_sec - start_ru.ru_stime.tv_sec) * 1000 +
              (end_ru.ru_stime.tv_usec - start_ru.ru_stime.tv_usec) / 1000;

double total_cpu_sec = (user_ms + sys_ms) / 1000.0;

Windows 原生环境实现 #

Windows下std::clock返回的是挂钟时间（包含其他进程占用的时间），需使用Windows API GetProcessTimes获取进程专属的CPU时间：

#include <windows.h>

FILETIME create_time, exit_time, kernel_time, user_time;
GetProcessTimes(GetCurrentProcess(), &create_time, &exit_time, &kernel_time, &user_time);

// 转换起始时间为64位整数（单位：100纳秒）
ULARGE_INTEGER start_kernel, start_user;
start_kernel.LowPart = kernel_time.dwLowDateTime;
start_kernel.HighPart = kernel_time.dwHighDateTime;
start_user.LowPart = user_time.dwLowDateTime;
start_user.HighPart = user_time.dwHighDateTime;

// 执行排序
your_quicksort_function(data, size);

// 记录结束时间并转换
GetProcessTimes(GetCurrentProcess(), &create_time, &exit_time, &kernel_time, &user_time);
ULARGE_INTEGER end_kernel, end_user;
end_kernel.LowPart = kernel_time.dwLowDateTime;
end_kernel.HighPart = kernel_time.dwHighDateTime;
end_user.LowPart = user_time.dwLowDateTime;
end_user.HighPart = user_time.dwHighDateTime;

// 计算总CPU时间（秒）
double cpu_time_sec = ( (end_kernel.QuadPart - start_kernel.QuadPart) + 
                        (end_user.QuadPart - start_user.QuadPart) ) / 10000000.0;

该API返回的时间为64位，完全不会出现36分钟溢出的问题，且仅统计当前进程的CPU占用时间。

长时间计时的关键注意事项 #

• 彻底放弃std::clock：多数系统中clock_t为32位类型，当CLOCKS_PER_SEC为1e6时，最多只能统计约71分钟的时间，部分系统甚至更短，无法满足你的测试需求。
• 上述所有方案均使用64位时间表示，即使算法运行数小时也不会出现溢出问题。

测试优化建议 #

• 对同一规模的测试数据，重复运行排序算法5-10次，取CPU时间的平均值，减少单次运行的偶然误差。
• 确保两种快速排序算法使用完全相同的输入数据集，保证对比的公平性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Hrishabh Nayal