如何使用C# Stopwatch 测量微秒级精确度

跟同事讨论到- 用C# Stopwatch 取得效能数值，Stopwatch.ElapsedMilliseconds 只到毫秒(ms)，如果需要更高的时间精确度(微秒μs，甚至奈秒ns)，该怎么做？

原以为要费番功夫，在Stackoverlow查到讨论，答案意外地简单。

准备测试程式如下，比较MD5 及SHA1 计算1MB byte[] 杂凑值所秏费时间：

static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
static void Main(string[] args)
{
 Test1();
 Console.ReadLine();
}

private static void Test1()
{
 Console.WriteLine("Test 1");
 for (var i = 0; i < 5; i++)
 {
   Stopwatch sw = new Stopwatch();
   sw.Start();
   var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
   sw.Stop();
   Console.WriteLine($"MD5 {sw.ElapsedMilliseconds}ms");
   sw.Restart();
   var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
   sw.Stop();
   Console.WriteLine($"SHA1 {sw.ElapsedMilliseconds}ms");
 }
}

执行结果如下：

Test 1
MD5 10ms
SHA1 2ms
MD5 2ms
SHA1 2ms
MD5 2ms
SHA1 2ms
MD5 2ms
SHA1 2ms
MD5 2ms
SHA1 2ms

有两个问题，第一是回圈的第一次执行因涉及.NET 初始化，耗时会异常偏高(先做SHA1 再做MD5，就变成第一笔SHA1 超过10ms)，第二是MD5 与SHA1 执行时间相近，都是2ms 多，用ElapsedMilliseconds 看不出差异。

针对首次数值耗时偏差问题，除了略过第一次数据不计，我想到的另一个解法是在Test1()前先跑一次MD5.Create()完成相关初始化。至于ElapsedMilliseconds看不出差异问题，改用ElapsedTicks是种解法，但要注意，ElaspedTicks换算成时间单位时，不是除以TimeSpan.TicksPerMillisecond而是依CPU频率而定，需使用Stopwatch.Frequency (每秒Tick数)。

第二版改用ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency 计算微秒(Microsecond, μs)，执行前先MD5.Create() 暖机。

static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
static void Main(string[] args)
{
 MD5.Create();
 Test2();
 Console.ReadLine();
}

private static void Test2()
{
 Console.WriteLine("Test 2");
 for (var i = 0; i < 5; i++)
 {
   Stopwatch sw = new Stopwatch();
   sw.Start();
   var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
   sw.Stop();
   //
   Console.WriteLine($"MD5 {sw.ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency:n3}μs");
   sw.Restart();
   var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
   sw.Stop();
   Console.WriteLine($"SHA1 {sw.ElapsedTicks * 1000000F / Stopwatch.Frequency:n3}μs");
 }
}

执行结果的第一次时间偏长问题消失，而也呈现出SHA1 比MD5 计算耗时的证据。而由数值来看，精确度可到0.1μs = 100ns。

Test 2
MD5 2,402.200μs
SHA1 2,724.000μs
MD5 2,017.300μs
SHA1 2,576.900μs
MD5 2,102.100μs
SHA1 2,578.700μs
MD5 2,024.100μs
SHA1 2,600.300μs
MD5 2,008.300μs
SHA1 2,624.300μs

自己计算麻烦了点，Stopwatch 有个Elapsed 属性，型别为TimeSpan，其中TotalMilliseconds 属性精确度即可达到μs 及100ns。请看第三版：

   static byte[] data = new byte[1024 * 1024];
   static void Main(string[] args)
   {
     MD5.Create();
     Test3();
     Console.ReadLine();
   }
   private static void Test3()
   {
     Console.WriteLine("Test 3");
     for (var i = 0; i < 5; i++)
     {
       Stopwatch sw = new Stopwatch();
       sw.Start();
       var md5 = MD5.Create().ComputeHash(data);
       sw.Stop();
       Console.WriteLine($"MD5 {sw.Elapsed.TotalMilliseconds * 1000:n3}μs");
       sw.Restart();
       var sha1 = SHA1.Create().ComputeHash(data);
       sw.Stop();
       Console.WriteLine($"SHA1 {sw.Elapsed.TotalMilliseconds * 1000:n3}μs");
     }
   }

执行结果与第二版相同，但程式更简单一些。

Test 3
MD5 2,423.400μs
SHA1 2,692.400μs
MD5 2,204.000μs
SHA1 2,976.800μs
MD5 2,094.500μs
SHA1 2,588.600μs
MD5 2,034.600μs
SHA1 2,598.900μs
MD5 2,029.900μs
SHA1 2,887.000μs

来源：https://blog.darkthread.net/blog/measure-microsecond-with-stopwatch/