C言語におけるclockを使った時間計測

Question

C言語でx^2-2=0をニュートン法で近似的に求めるプログラムを組み、入力は任意の初期値、出力は反復回数、近似値、計算時間というプログラムにおいて、計算時間のみ0.00秒となってしまい値がうまく表示されません。clockを使用して計算時間を表示したいのですが、このコードのどこを治したらいいでしょうか？

 ＃include<stdio.h>
 #include <time.h>

int main(){
  double a,b,c,d;
  int n;
  clock_t start,end;
  n=0;
  
  double t;
  long cpu_time;
  
  start = clock();
  
  printf("初期値は");
  scanf("%lf",&a);
  printf("\n");
  
  
  while(1){
    
    c=a*a-2;//元の関数
    d=2*a;//元の関数の微分
    b=a-c/d;//ニュートン法の計算     
    printf("反復回数:%d\n",n+1);
    printf("近似解:%lf\n",b);
    printf("誤差:%lf\n",fabs(b-a));
    
    if(fabs(b-a)<0.00001){
      break;//終了条件
    }
    a=b;
    n+=1;
    printf("\n");
    
    
  }
  end = clock();
  
  printf("%.2f秒かかりました\n",(double)(end-start)/CLOCKS_PER_SEC);
  
  return 0; 
}

Comments

[hayataka2049]

```
ここにコード
```

のように編集してください。
適切に改行しないとうまくコードブロックに入りません（うまくいくとプレビューで枠が出現します）。

[TsukubaDepot]

処理系は何を使っていますか？
コンパイラの名前やバージョン、実行しているOSの名前が分かればもう少し詳しくわかるかもしれません。

Answer 1

やってることは間違ってないと思います。
ただ確認の仕方・質問の仕方がよろしくないかと。
最終的な時間はstartとendで計算しているのだから、まずはstartとendの値がどうなっているのかを確認し情報として載せるべきです。
その結果から聞くべき内容も変わりますよね。
startとendが同じ値であれば、結果は当然0ですが、なぜ同じ値が取れてしまうのかの質問になります。
差がとても小さければこれまた結果として0になるのは明らかですし、処理がとても速いということもわかり、質問するまでもないことがわかります。
差がとても大きく計算結果が0より大きくなるのが明らかな場合、なぜそうならないのかの質問になります。
要は結果だけ見ておかしい→わからない→教えて！、ではなくデバッグしましょうね、というお話。

Answer 2

間違っていないと思います（clock()は処理系依存のようなので多少の誤差はあるとおもいますが）。

計算は一瞬で終わっているので、1/100秒以内で計算が終わっていると思います。

  printf("%.2f秒かかりました\n",(double)(end-start)/CLOCKS_PER_SEC);

ここを

  printf("%f秒かかりました\n",(double)(end-start)/CLOCKS_PER_SEC);

こんな感じに変更して再実行するとわかりますが、一瞬で計算が終わっています。

初期値を相当大きくしても1/100秒以上かかることはなさそうです。

追試

いろいろ気になったので、ちょっと自分でも確かめてみました。
ちなみに、実行環境とコンパイラはこんな感じです。

MacBook-Pro t % uname -a
Darwin MacBook-Pro.local 19.3.0 Darwin Kernel Version 19.3.0: Thu Jan  9 20:58:23 PST 2020; root:xnu-6153.81.5~1/RELEASE_X86_64 x86_64
MacBook-Pro t % gcc -v
Configured with: --prefix=/Library/Developer/CommandLineTools/usr --with-gxx-include-dir=/Library/Developer/CommandLineTools/SDKs/MacOSX.sdk/usr/include/c++/4.2.1
Apple clang version 11.0.0 (clang-1100.0.33.17)
Target: x86_64-apple-darwin19.3.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin

clock()だとCPU時間しか求まらないし、計算に関係ない時間（おそらくscanf()の待ち時間も含む）の扱いや、コンパイラで最適化の影響も受けるでしょうから、より実時間に近いclock_gettime()を使ってみました。

参考文献: man clock_gettime, プログラムの経過実時間をナノ秒単位で出力

変更後のコードはこんな感じ。
現在時刻を得る部分を変更したのと、scanf()の影響を避けるため、開始時刻の取得場所を変更してみました。

#include<stdio.h>
#include<time.h>
#include<math.h>

int main(){
  double a,b,c,d;
  int n;
  struct timespec start, end;
  n=0;

  double t;
  long cpu_time;

  printf("初期値は");
  scanf("%lf",&a);
  printf("\n");

  // スタート時刻の取得
  clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&start);
  
  while(1){
    c=a*a-2;//元の関数
    d=2*a;//元の関数の微分
    b=a-c/d;//ニュートン法の計算     
    printf("反復回数:%d\n",n+1);
    printf("近似解:%lf\n",b);
    printf("誤差:%lf\n",fabs(b-a));

    if(fabs(b-a)<0.00001){
      break;//終了条件
    }
    a=b;
    n+=1;
    printf("\n");


  }

  // 終了時刻の取得
  clock_gettime(CLOCK_REALTIME,&end);

  if(end.tv_nsec < start.tv_nsec){
    printf("%10ld.%09ld秒かかりました\n",end.tv_sec - start.tv_sec - 1,
	   end.tv_nsec + 1000000000 - start.tv_nsec);
  } else {
    printf("%10ld.%09ld秒かかりました\n",end.tv_sec - start.tv_sec,
	   end.tv_nsec - start.tv_nsec);
  }
  
  return 0; 
}

実行結果ですが、まずは投稿者さんのコードで実行。

MacBook-Pro t % ./use_clock
初期値は2
(中略)
反復回数:4
近似解:1.414214
誤差:0.000002
0.000094秒かかりました

clock_gettime()を使うとこんな感じ。

MacBook-Pro t % ./use_clock_gettime
初期値は2
(中略)
反復回数:4
近似解:1.414214
誤差:0.000002
0.000068000秒かかりました

macOSでリアルタイムOSではないので、当然実行ごとに所要時間はかわりますし、その時別に動かしているプロセスの数などでも所要時間がかわりますが、特に何も動かしていない状況だと、1/100秒以下の時間で処理が終わっているようです。

当然、質問者さんが使われているOSなどによっても結果は異なりますし、これ以下の処理時間の時もあると思いますので、詳しい状況がわからないとなんとも言えないのは変わりません。

Comments

[_mini]

初期値を大きくし、反復回数500回程度になっても計算時間が0秒となってしまいます。

[dodox86]

＞質問者さん
もしWindows上で実行しているのだとしますと、clock()が使うCLOCKS_PER_SECは1000なので、充分な精度は得られないと思います。
https://docs.microsoft.com/ja-jp/cpp/c-runtime-library/reference/clock?view=vs-2019
Microsoft implements clock_t as a long, a signed 32-bit integer, and the CLOCKS_PER_SEC macro is defined as 1000.

反復回数500回程度では、1ミリ秒未満なのではないでしょうか。お使いのPCのCPU性能が高ければ尚更です。

Answer 3

時刻の精度以下の時間しかCPUを使用していないからだと思います。

確認のために、CPUを無駄に消費するような処理を入れてみてください。
for(n=0;n<2147483647;n++) ;とか。