【C言語】clock()の挙動

Question

困っていること

clock() / CLOCKS_PER_SECでCPUの経過時間を計測したいのですが、clock()の挙動がうまく把握できません。clock() / CLOCKS_PER_SECでCPU経過時間の秒数を計測できるはずですが、ストップウォッチで測る時間と大きくことなります。

2番目の該当コードの場合はうまくいくのですが一番目の該当コードの場合うまく機能しません。その理由がなんなのかが知りたいです。

該当のソースコード

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

int main(void)
{
  int i;
  clock_t cpu_time;
  double sec;

  /* 負荷を掛ける処理（適当です） */
  for (i = 0; i < 1000000; i++)
  {
    printf("\r計測中...");
  }

  /* CPU時間をチェック */
  cpu_time = clock();

  /* 秒に直す */
  sec = (double)cpu_time / CLOCKS_PER_SEC;

  printf("%f秒\n", sec);

  return 0;
}

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

#define MAX_STAGE 10

int sleep(unsigned long x)
{
  clock_t c1 = clock(), c2;

  do
  {
    if ((c2 = clock()) == (clock_t)-1) //エラー検出
    {
      return 0;
    }

  } while (1000.0 * (c2 - c1) / CLOCKS_PER_SEC < x);
  return 1;
}

int main(void)
{
  sleep(1000);
  printf("1秒後");

  return 0;
}

実行結果

//ストップウォッチで計測した場合2~3秒程度でした
計測中...0.263727秒

//1秒後に表示される
1秒後

###OS
MacOS Monterey　ver12.1です

Comments

[jimbe]

[C言語：clock関数を使ってある処理にかかった時間を計測する](https://dianxnao.com/c%E8%A8%80%E8%AA%9E%EF%BC%9Aclock%E9%96%A2%E6%95%B0%E3%82%92%E4%BD%BF%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%82%E3%82%8B%E5%87%A6%E7%90%86%E3%81%AB%E3%81%8B%E3%81%8B%E3%81%A3%E3%81%9F%E6%99%82%E9%96%93%E3%82%92/ ) とかでしょうか？

[退会済みユーザー]

「あくまでCPU時間のため、精度がミリ秒まであるとまでは言えませんが、手元のストップウォッチと計測を比べるとほぼ一致していました。」記載されているのですが、10倍違う結果になってしまいます。

[dodox86]

なぜ挙動が違うも何も、提示の1と2は完全に別モノのコードですが、、

Answer 1

その理由がなんなのかが知りたいです。

推測ですが、、printf("\r計測中..."); が I/O(画面出力)待ちとなっているから。
画面出力がそんなに早いとは思えません。CPU時間に I/O待ちが含まれないという事では?

Comments

[退会済みユーザー]

なるほど、printf("\r計測中...");のときはCPUは活動していないということでしょうか？

[pepperleaf]

このプログラムとしては、活動してない、、、でしょう。
(当然、OSとかは動いてるので)

Answer 2

その理由がなんなのかが知りたいです。

ループの中で printf をしているからでは?

clock()はクロック数と認識しております。

経過時間を返すと勘違いしてますね？ man clockを見ましょう

Comments

[退会済みユーザー]

ですが、この記事ではCPU経過時間を計測できています。なぜでしょうか？
https://dianxnao.com/c%E8%A8%80%E8%AA%9E%EF%BC%9Aclock%E9%96%A2%E6%95%B0%E3%82%92%E4%BD%BF%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%82%E3%82%8B%E5%87%A6%E7%90%86%E3%81%AB%E3%81%8B%E3%81%8B%E3%81%A3%E3%81%9F%E6%99%82%E9%96%93%E3%82%92/

[sigsegv]

＞CPU経過時間
まだそんなことを。そんなページじゃなくmanを読んで

[退会済みユーザー]

https://linuxjm.osdn.jp/html/LDP_man-pages/man3/clock.3.html
プロセッサの時間ではないのでしょうか？

[sigsegv]

この辺読んでみてください。
https://support.xilinx.com/s/article/56840?language=ja
https://slpr.sakura.ne.jp/qp/time-measurement/#calctime

[退会済みユーザー]

うまく言葉にできませんがI/Oに関してはCPU経過時間に含まれないという解釈に行きつきました

Answer 3

何を計っているのかを正しく知る必要があるものと思います。

【C言語】時間計測に用いる time 関数と clock 関数の違いは？

Comments

[退会済みユーザー]

clock()はクロック数と認識しております。でも一番と二番の挙動が違くなる理由がよくわかりません

[jimbe]

リンク先の記事をよくお読みになった上ですと、何が「よくわからない」のかが分かりません。
例えば記事のどの部分が分からないでしょうか。

[退会済みユーザー]

https://dianxnao.com/c%E8%A8%80%E8%AA%9E%EF%BC%9Aclock%E9%96%A2%E6%95%B0%E3%82%92%E4%BD%BF%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%82%E3%82%8B%E5%87%A6%E7%90%86%E3%81%AB%E3%81%8B%E3%81%8B%E3%81%A3%E3%81%9F%E6%99%82%E9%96%93%E3%82%92/

こちらと同じコードなのに秒数計測がなぜうまく機能しないのかがわかりません。

[jimbe]

> 秒数計測がなぜうまく機能しない

うまく機能しない、のではありません。プログラムはコードの通り動作しています。
うまく機能すればこうなるはず、の「こうなるはず」が間違っているのです。

shuta_202141 さんはプログラムを実行したら「プログラムが終わるまで CPU はこのプログラムの為にずっと動作している」とイメージされているように感じます。
ですが実際はそうではありません。
daeudaeu.com ではその状態を

> 例えば CPU が「他のプログラムの処理を行っている」「何もしていない（遊んでいる）」ような時間は CPU 時間として計測されないです。

と表現してイラストまで付けています。
shuta_202141 さんはこの意味をまだ理解されていないのではないでしょうか。

そしてこの「CPU 時間として計測されない」時間は、コンパイラだけでなく、実行する環境 (OS や CPU 性能等 ) で大きく変わります。

daeudaeu.com の記事で最初に

> C言語でプログラムの処理時間を計測するとき、何の関数を使って計測していますか？
> 僕は clock 関数だね！ ミリ秒単位でも計測できるから便利なんだよね
> でなるほど。でもその理由だけで clock 関数を使うのは危険だよ？

と書かれているのは、clockの返す時間 ( クロック数 ) は「(いわゆる)プログラムの処理時間」では無いからです。

[退会済みユーザー]

まずはご丁寧に回答ありがとうございます。

printf("\r計測中...");のときはCPU時間として計測されていないという認識であってますでしょうか？
ですが、該当コード2のsleep関数はsleep(1000)としたときなぜきっちり1秒後に表示されるのでしょうか？

[jimbe]

該当コード2 は sleep で printf していませんが。

[退会済みユーザー]

たしかにそうですね。printfのようなI/Oに関してはCPU計測時間に含まれないという解釈に行きつきました

[dodox86]

@質問者 shuta_202141さん

clock()を「計測時間」のように捉えるから誤解が解けないのだと思います。clock()を呼び出しているプログラムが、呼び出した時点までに消費したCPU時間、です。該当コードの2は、自作のsleep関数の中で、引数で指定した時間の間つまりCPU時間を消費するまでdo～while()ループで無理やり回しています。だから1秒経つまでsleep()から出てこない動きになり、結果的に1秒待機しているかたちです。

尚、clock()はUN*Xによって多少実装が異なる場合があるので、その点は留意してください。

macOSのmanpage
https://developer.apple.com/library/archive/documentation/System/Conceptual/ManPages_iPhoneOS/man3/clock.3.html

Linuxのmanpage
https://linuxjm.osdn.jp/html/LDP_man-pages/man3/clock.3.html

[退会済みユーザー]

正しくは計測時間ではなく、clock()を呼び出しているプログラムが、呼び出した時点までに消費したCPU時間でその表し方がクロック数であるということですね。それでCLOCKS＿PER＿SECで割ることで秒数に変換できるということですね。

ようやく理解できました。本当にみなさまありがとうございます。