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c# Stopwatch.GetTimestamp() 和高精度性能测量

畫卷琴夢

畫卷琴夢

发布时间:2026-01-02 11:17:02

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来源于php中文网

原创

Stopwatch.GetTimestamp() 返回的是底层硬件计时器的滴答数(ticks),单位为未公开起始点以来的整数计数值,需配合 Stopwatch.Frequency 换算为秒或纳秒,不可直接当作时间单位使用。

c# stopwatch.gettimestamp() 和高精度性能测量

Stopwatch.GetTimestamp() 返回的是什么单位?

Stopwatch.GetTimestamp() 返回的是一个 long 类型的整数,代表自某个未公开起始点以来的「计时器滴答数(ticks)」,不是毫秒、纳秒,也不是 .NET 的 DateTime 那种 100 纳秒单位。它的实际物理单位取决于底层硬件计时器(通常是 CPU 的高精度性能计数器,如 TSC),所以**不能直接当时间用**,必须配合 Stopwatch.Frequency 换算。

常见错误是把它当成纳秒或直接减完就除 1000 当毫秒——这在大多数现代 Windows 机器上会严重偏大(因为 TSC 频率常是 2–4 GHz,即每秒 20–40 亿次滴答)。

  • Stopwatch.Frequency 是每秒多少次 GetTimestamp() 滴答,例如 3_200_000_000
  • 两次调用差值 delta 除以 Frequency 才是秒:(double)delta / Stopwatch.Frequency
  • 想转纳秒?乘 1_000_000_000(delta * 1_000_000_000) / Stopwatch.Frequency(注意整数溢出风险)

为什么不用 Stopwatch.ElapsedMilliseconds 测微秒级开销?

Stopwatch.ElapsedMilliseconds 只返回 long,精度固定为毫秒,会直接截断小数部分;而 Stopwatch.Elapsed.TotalMilliseconds 虽是 double,但内部仍基于相同滴答计数,只是做了浮点换算——问题不在它“不准”,而在**默认构造和测量方式容易掩盖抖动**。

真正影响微秒级测量可靠性的,是测量本身引入的噪声:JIT 预热不足、GC 干扰、线程调度、CPU 频率缩放(Intel SpeedStep / AMD Cool'n'Quiet)、甚至测量代码自身执行时间。比如测一个空方法,GetTimestamp() 调用本身的开销可能就占几十纳秒。

  • 务必用 Stopwatch.IsHighResolution 确认底层用了 HPET 或 TSC,否则 fallback 到 QueryPerformanceCounter 甚至 GetTickCount64,精度可能只有 10–15ms
  • 单次测量毫无意义;至少跑几百到几万次,取中位数或 p95,再减去空循环基线(control baseline)
  • Thread.Sleep(0)GC.Collect() 强制干扰后重测,观察方差是否突增——这是判断测量是否被系统干扰的快速信号

如何安全地用 GetTimestamp() 做低开销高频采样?

如果你在写高性能网络库、实时音频处理或游戏逻辑帧统计,需要每帧/每次回调都打点,Stopwatch.Start()/Stop() 的方法调用开销(尤其是检查状态、读寄存器)可能成为瓶颈。GetTimestamp() 是静态、无状态、无锁的,适合内联采样。

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private static readonly long _frequency = Stopwatch.Frequency;
private long _startTick;

public void BeginSample() => _startTick = Stopwatch.GetTimestamp();

public double EndSampleInMs() { long end = Stopwatch.GetTimestamp(); long delta = end - _startTick; return (double)delta * 1000.0 / _frequency; // 毫秒,保留小数 }

注意:不要在多线程共享同一个 _startTick 字段;也不要跨线程复用同一实例做 Begin/End —— GetTimestamp() 是线程安全的,但你的字段不是。

  • 避免在 try/finally 中调用 EndSampleInMs(),异常路径可能让 _startTick 滞留成脏值
  • 如果需长期运行的持续采样(如每毫秒打一次点),考虑用环形缓冲区存原始 long 时间戳,最后统一换算,减少浮点运算次数
  • Windows 上若启用了 “Timer resolution” 工具(如 PowerCfg /energy or LatencyMon),可能强制系统使用更低分辨率计时器,IsHighResolution 会返回 false,此时 GetTimestamp() 实际退化为低精度 API

Stopwatch.GetTimestamp() 在 .NET 6+ 跨平台行为差异

.NET 5 开始统一了各平台计时器抽象,但底层实现仍有区别:Linux 默认用 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC)macOS 用 mach_absolute_time(),而 Windows 优先用 RDTSC(带序列化)或 QueryPerformanceCounter。这意味着即使 Frequency 相同,多次调用的抖动特征也不同。

最易被忽略的一点:**某些虚拟机(特别是旧版 Hyper-V 或 VMWare Workstation)会禁用 TSC 或模拟低频计数器,导致 Frequency 只有 10 MHz 甚至更低,且 GetTimestamp() 调用延迟剧烈波动**。这不是 bug,是虚拟化层有意为之的安全/兼容性策略。

  • 上线前务必在目标环境运行 Stopwatch.IsHighResolution && Stopwatch.Frequency > 1_000_000 校验
  • 容器环境(如 Docker on WSL2)同样受宿主机虚拟化影响,GetTimestamp() 在 WSL2 中实际走的是 Windows 主机的 QPC,但存在额外上下文切换开销
  • .NET 7+ 新增 System.Diagnostics.Metrics,对高频指标采集更友好,但底层仍依赖 Stopwatch —— 所以理解 GetTimestamp() 的本质,比换新 API 更关键

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