Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

В современной программной инженерии в процессе проектирования, написания и отладки программных продуктов нередко приходится решать вопросы, связанные с определением и последующей оптимизацией времени выполнения программного кода [1]. Не меньший интерес представляют вопросы, связанные с оценкой времени выполнения того или иного кода, написанного на различных языках программирования и на различных компьютерных платформах [2]. Определение времени выполнения программного кода критично:

– для приложений, обрабатывающих данные в режиме реального времени, например приложений, реализующих функции управления техническими устройствами;

– при решении инженерных и научно-технических задач, в которых производятся сложные длительные вычисления, а процессорное время дорого и ограничено, например в задачах проектирования и расчета сложных технических объектов;

– при разработке программ, работающих с аппаратной частью компьютеров, например драйверов для различных устройств;

– для процессов обработки больших данных, требующих значительных временных затрат, например при проведении маркетинговых исследований;

– при генерации страниц в web-приложениях, в которых время критично для пользователя и напрямую связано с производительностью серверов;

– для процессов измерения скорости передачи данных в коммуникационных системах;

– при проведении всевозможных тестирований и др.

В процессе разработки программного обеспечения нередко возникает необходимость отладки фрагментов кода, критичных по времени исполнения, для выявления «узких мест» выполнения программы, потребляющих чрезмерное количество ресурсов [3]. Время выполнения программного кода – это один из важнейших ресурсов, определяющих уровень качества программного продукта, наряду с такими показателями, как функциональные возможности, надежность, практичность, сопровождаемость и мобильность [4]. Оптимизация производительности программного продукта путем сокращения времени выполнения программного кода особенно важна, если он разрабатывается в расчете на длительный жизненный цикл и массовое использование при высоких требованиях к его качеству.

Цель исследования – измерение времени выполнения программного кода c использованием методов класса Stopwatch технологии .Net в ОС Windows для оценки качества программного продукта.

Материалы и методы исследования

Измерение времени выполнения программного кода будем выполнять в ОС Windows (Windows 10 Pro, 64-разрядная), как в одной из самых распространённых в настоящее время операционных систем. В качестве системы программирования используем Microsoft Visual Studio 2013 и язык программирования C#. Описанные ниже возможности измерения времени можно одинаково использовать как в Visual C# .NET, так и Visual Basic .NET, в Visual C++ .NET и Visual J# .NET.

Для проведения измерений применим специальные проблемно-ориентированные методы класса Stopwatch на технологической платформе .Net. Класс Stopwatch основан на HPET (High Precision Event Timer – таймер событий высокой точности). Таймер HPET разработан Microsoft с целью устранения проблем с измерением времени выполнения того или иного программного кода. Частота таймера HPET (минимум 10 МГц) не меняется во время работы системы. Каждая версия OS Windows сама определяет, с помощью каких устройств следует реализовать этот таймер.

Существует несколько способов измерения интервалов времени в ОС Windows. Например, функция timeGetTime возвращает системное время в миллисекундах достаточно точно, однако работает медленно из-за многочисленных промежуточных вызовов и преобразований. Функция GetTickCount работает быстро, но имеет невысокую точность 15 мс (для Windows XP), так как использует прерывания, генерируемые часами реального времени компьютера.

Более точный метод измерения времени в ОС Windows – использование пары функций QueryPerformanceCounter [5] и QueryPerformanceFrequency [6]. Функция QueryPerformanceCounter возвращает текущее значение в тиках, а функция QueryPerformanceFrequency возвращает частоту счетчика производительности. Эти функции работают быстро и имеют высокую точность, так как используют таймер высокой точности High Precision Event Timer (HPET). Временной промежуток между «тиками» этого таймера меньше 1 мс, что позволяет производить достаточно точные измерения [7].

В библиотеке классов FCL каркаса Framework имеется класс Stopwatch [8], который также работает с таймером высокого точности High Precision Event Timer и предоставляет удобный набор средств, используемых для измерения времени. Публичный API класса Stopwatch инкапсулирует следующий набор свойств (табл. 1) и методов (табл. 2).

Таблица 1

Свойства публичного API класса Stopwatch

Таблица 2

Методы публичного API класса Stopwatch

Прежде чем начать измерение затраченного времени с помощью методов класса Stopwatch, необходимо создать экземпляр класса Stopwatch и экземпляр класса TimeSpan (представляет интервал времени) [9]. Затраченное время при помощи свойства Elapsed класса Stopwatch помещается в экземпляр класса TimeSpan. Свойства TotalSeconds и TotalMilliseconds экземпляра TimeSpan, возвратит время в секундах или миллисекундах. Чтобы очистить совокупное затраченное время в существующем экземпляре Stopwatch, необходимо использовать метод Reset.

Результаты исследования и их обсуждение

Использование методов класса Stopwatch рассмотрим на примере исследования времени работы программного кода при обработке массивов классов Array, ArrayList и List [10, 11], содержащих n строковых данных. Для данных классов вычисляется время:

- формирования элементов массивов;

- работы методов Reverse, переставляют элементы массивов в обратном порядке;

- время работы методов Sort, которые сортируют элементы массивов.

Программный код исследования, написанный на C# в Visul Studio 2013 [12]:

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.ComponentModel;

using System.Data;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Windows.Forms;

using System.Diagnostics;

using System.Collections;

namespace Снятие_времени

{ public partial class Form3 : Form

{ public Form3()

{InitializeComponent();}

private void Form3_Load(object sender, EventArgs e)

{ }

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{Stopwatch d = new Stopwatch();// Cоздание экземпляра класса Stopwatch

TimeSpan time = new TimeSpan();//Cоздание экземпляра класса TimeSpan

Random f = new Random();

Random r = new Random();

System.Text.StringBuilder s;

int n; n = Int32.Parse(textBox10.Text);

//Формирование массива Array строковых данных

d.Reset(); //Обнуление времени

d.Start(); // Запуск измерения времени

string[] A = new string[n]; //массив класса Array, состоящий из n строковых данных

for (int i = 0; i < n; i++) //в цикле формируются n строк

{

int k; k = r.Next(3, 10); // длина формируемой строки задается случайным числом

s = new System.Text.StringBuilder(5);

for (int j = 1; j <= 5; j++) s = s.Append(Convert.ToChar(f.Next(65, 90)));

A[i] = Convert.ToString(s);

}

d.Stop();

time = d.Elapsed;

textBox1.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Формирование элементов списка ArrayList строковых данных

d.Reset(); d.Start();

ArrayList A_L = new ArrayList(n); //список ArrayList

for (int i = 0; i < n; i++)

{

s = new System.Text.StringBuilder(5);

for (int j = 1; j <= 5; j++) s = s.Append(Convert.ToChar(f.Next(65, 90)));

A_L.Add(Convert.ToString(s));

}

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox2.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Формирование элементов списка List строковых данных

List<string> L = new List<string>(n); //Список List

for (int i = 0; i < n; i++)

{

s = new System.Text.StringBuilder(5);

for (int j = 1; j <= 5; j++) s = s.Append(Convert.ToChar(f.Next(65, 90)));

L.Add(Convert.ToString(s));

}

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox3.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Перестановка элементов массива в обратном порядке (метод Reverse)

d.Reset(); d.Start();

Array.Reverse(A);

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox4.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Перестановка элементов списка ArrayList в обратном порядке (метод Reverse)

d.Reset(); d.Start();

A_L.Reverse();

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox5.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Перестановка элементов списка List в обратном порядке (метод Reverse)

d.Reset(); d.Start();

L.Reverse();

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox6.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Сортировка Sort n элементов массива строковых данных

d.Reset(); d.Start();

Array.Sort(A);

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox7.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Сортировка Sort элементов списка ArrayList

d.Reset(); d.Start();

A_L.Sort();

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox8.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

//Cортировка Sort элементов списка List строковых данных

d.Reset(); d.Start();

L.Sort();

d.Stop(); time = d.Elapsed;

textBox9.Text = time.TotalSeconds.ToString("0.000000");

}}}

Поскольку ОС Windows – многозадачная операционная система, то получить «чистое» время выполнения программного кода невозможно, оно всегда будет относительным. Делать выводы о времени выполнения какого-либо алгоритма после одного программного тестирования нельзя, поэтому алгоритм был протестирован 20 раз и затем вычислено среднее значение времени. Результат эксперимента приведен на рис. 1.

Характеристики компьютера, на котором проводился эксперимент по исследованию времени работы программного кода при обработке массивов классов Array, List и ArrayList, приведены на рис. 2.

Заключение

Операционная система Windows позволяет измерять интервалы времени с использованием различных таймеров (функций). Функция timeGetTime дает достаточно точный результат, но работает медленно из-за многочисленных промежуточных вызовов и преобразований. Функция GetTickCount работает быстро, но имеет невысокую точность. Наиболее предпочтительным для практического применения при измерении времени выполнения программного кода является таймер высокой точности High Precision Event Timer (HPET), сочетающий преимущества функций timeGetTime и GetTickCount. Таймер высокой точности HPET является одновременно точным и быстрым. Он использует функции QueryPerformanceCounter и QueryPerformanceFrequency.

Проведенный с использованием таймера высокой точности HPET эксперимент на компьютере с операционной системой Windows 10 Pro (64-разрядная ОС, процессор: AMD Е2-7110 APU with AMD Radeon R2 Graphics (4 CPUs), 1.8GHz) позволил провести измерение времени, затраченного на обработку строковых данных с помощью методов класса Stopwatch. При этом выполнялись операции с массивами класса ArrayList, Array и List. Результаты измерений показали, что операции с массивами класса ArrayList выполняются быстрее, чем операции с массивами классов Array и List. Использование классов Stopwatch, Array, List и ArrayList в других языках программирования, входящими в Visual Studio, будет отличаться лишь особенностями конкретного языка [13].

Класс Stopwatch библиотеки классов FCL каркаса Framework, который работает с HPET и предоставляет удобный набор средств, используемых для измерения времени. Основным его преимуществом является более точное измерение временных интервалов. Однако следует отметить, что при отсутствии таймера высокой точности HPET его преимущества теряются.