CPU時間

CPU 時間(または処理時間) は、中央処理装置( CPU) がコンピュータ プログラムまたはオペレーティング システムの命令を処理するために使用された時間の長さです。CPU 時間はクロック ティックまたは秒単位で測定されます。CPU 時間を CPU 容量のパーセンテージに変換して、CPU 使用率を求めると便利な場合があります。

機能的に同一で、同一の入力を処理する 2 つのプログラムの CPU 時間を測定すると、どちらのプログラムが高速であるかがわかりますが、CPU 時間を使用してアルゴリズムを比較できるというのはよくある誤解です。CPU 時間によるプログラムの比較は、アルゴリズムの特定の実装を比較することになります (同じアルゴリズムの効率的な実装と非効率的な実装の両方が存在する可能性があります)。アルゴリズムは、時間の複雑さと空間の複雑さの尺度を使用して比較されるのが一般的です。

通常、プログラムが使用する CPU 時間は、CPU のすべての作業をスケジュールするオペレーティング システムによって測定されます。最新のマルチタスク オペレーティング システムは、数百のプロセスを実行します (プロセスとは、実行中のプログラムです)。プロセスを開始すると、オペレーティング システムは内部タイマーを使用して時間を記録します。プロセスが一時停止または終了すると、オペレーティング システムは再び時間を記録します。図に示すように、プロセスの実行に費やされた合計時間が CPU 時間です。

Unix ファミリーのオペレーティング システムによって実行されるプロセスの「アカウンティング」には、 CPU 時間の 2 つのコンポーネントが含まれます。ユーザー時間とシステム時間は、ほとんどのプログラムが実行中にオペレーティング システムに要求を出すという事実を反映しています。ファイルの読み取りや画面への書き込みなどの入出力操作は、システム コールを介してオペレーティング システムに要求を発行することによって行われます。オペレーティング システムがプロセスに代わって実行する I/O およびその他の操作は、システム時間を構成します。

• ユーザー時間とは、CPU がユーザー空間でコードを実行するのに忙しい時間です。
• システム時間は、CPU がカーネル空間でコードを実行するのにビジーな時間です。この値は、実行中のプロセスに代わってカーネルが作業を実行する時間を表します。

対照的に、経過実時間(または単に実時間、またはウォールクロック時間) は、通常の時計で測定されたコンピュータ プログラムの開始から終了までにかかった時間です。経過実時間には、ユーザー時間、システム時間、およびプロセスの実行がプリエンプトされたときなど、何らかの理由でプロセスが実行されていなかった時間が含まれます。

Unixコマンドtop は、すべてのプロセスのCPU 時間、優先度、経過した実時間、およびその他の情報を提供し、それをリアルタイムで更新します。

Unixコマンドtime は、Unixコマンド (またはパイプライン)の実行にかかる CPU 時間と経過した実時間を出力します。多くのコマンドラインシェルには、このコマンドの独自の実装があることに注意してください。Unix プログラム を実行するには、そのフル パスを指定します。 time/usr/bin/time

$ gcc  nextPrimeNumber.c  -o  nextPrimeNumber
 $ /usr/bin/time  ./nextPrimeNumber 30000007 30000007より大きい素数は 30000023         0.08 real 0.02 user 0.00 sys $ 

このプロセスには合計 0.02 秒の CPU 時間 (ユーザー + システム) がかかりました。報告されたシステム時間は 0.00 秒で、使用されたシステム時間の量が印刷された解像度 0.01 秒未満であったことを示しています。経過した実際の時間は 0.08 秒でした。

以下は、上記の例で使用したアプリケーション nextPrimeNumber のソース コードです。

// nextPrimeNumber.c 
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> 
 

int isPrimeNumber ( unsigned long int n ) { for ( int i = 2 ; i <= ( n >> 1 ); ++ i ) if ( n % i == 0 ) 0を返す; 1を返す; }     
              
               
     


int main ( int argc , char * argv []) { unsigned long int argument = strtoul ( argv [ 1 ], NULL , 10 ), n = argument ; while ( ! isPrimeNumber ( ++ n ) );     
              
     

    printf ( "%lu より大きい素数は %lu です\n " , argument , n ); return 0 ; }  
     

現代のCPUには、タイムスタンプカウンタ、高精度イベントタイマー、リアルタイムクロックなど、それぞれ特殊な用途を持つクロックとカウンタがいくつかあります。プログラムが自身の操作の時間を計測したい場合、プログラムが使用したCPU時間を返すPOSIX 関数などの関数を使用できます。POSIXではこのクロックを任意の値から開始できるため、経過時間を計測するには、プログラムはを呼び出し、何らかの作業を行ってから再度^[1]を呼び出します。その差が作業に必要な時間です。 clock()clock()clock()

POSIX関数は、 getrusage() POSIX 環境のプロセスによって消費された CPU 時間だけでなく、プロセスの多くの測定値を返します。これには、おおよそのメモリ使用量やコンテキスト スイッチ(スケジューリング) イベント数などが含まれることがよくあります。機能はオペレーティング システムによって異なります。

マルチプロセッサおよびマルチコアマシンでは、プログラムは並列処理と呼ばれる方法で 2 つ以上のプロセッサを同時に使用できます。このような状況では、プログラムが使用するすべてのプロセッサで消費される CPU 時間の合計である合計 CPU 時間の測定が役立ちます。

処理に 1 つの CPU のみを使用するコンピュータ プログラムの場合、経過した実時間は、常に CPU 時間以上になります。I/O などの待機が発生しず、プログラムの実行がプリエンプトされない場合は、経過した実時間と CPU 時間は実質的に同じになります。

プログラムが並列処理を使用する場合、そのプログラムの合計 CPU 時間は、経過した実時間よりも長くなるのが一般的です。オーバーヘッドなしで 2 つのプロセッサに作業を均等に分割できるプログラムの場合、(合計 CPU 時間)/(プロセッサ数) の値は、経過した実時間とほぼ同じになります。ここで、プロセッサは(シングルコア) CPUの場合もあれば、マルチコア CPUの 1 つのコアの場合もあります。

例: 4 コア プロセッサで実行されるソフトウェア アプリケーションは、4 つの Unix プロセスを作成します。各プロセスが別々のプロセッサ コアで実行できる場合、計算は 4 つのプロセッサ コアで同時に進行します。理想的には、合計 CPU 時間は経過した実際の時間の 4 倍になります。

実際には、並列処理によって線形のスピードアップが達成されることはめったにありません。線形スピードアップとは、単位時間あたりの計算量が使用するプロセッサの数に応じて増加することです。一部の並列処理が困難な問題では、このような解決策が考えられますが、ほとんどの場合、プログラムの開始時に計算を分割し、最後に各プロセッサの結果を結合するための追加作業が必要になります。この追加作業によって、CPU の合計時間が長くなります。多くの場合、プロセスは、続行する前に別のプロセスからのデータを待機する必要があり、これも合計時間を増加させます。

• 経過した実時間
• CPU
• プロセス（コンピューティング）
• システム時間
• Unixトッププログラム
• 負荷（コンピューティング）

• Thimmannagari, Chandra (2005-01-01). CPU 設計: よくある質問への回答. Springer. p. 68. ISBN 0-387-23799-2。

• 「プロセッサと CPU 時間」。GNU C ライブラリ。2014 年 2 月 9 日。2014 年 8 月 5 日に取得。

• 「clock - 使用された CPU 時間を報告します」。The Open Group Base Specifications Issue 6、IEEE Std 1003.1、2004 版。2014年 8 月 5 日閲覧。
• 「getrusage - リソース使用率に関する情報を取得する」。The Open Group Base Specifications Issue 6、IEEE Std 1003.1、2004 版。2014年 8 月 5 日に取得。