System.nanoTime对System.currentTimeMillis

Question

根据它的文档，System.nanoTime返回一些固定但任意的起始时间后的纳秒。然而，在所有的x64机器上，我尝试了下面的代码，有时间跳跃，移动固定的原点时间。我的方法中可能存在一些缺陷，无法使用另一种方法(这里是currentTimeMillis)获得正确的时间。然而，测量相对时间(持续时间)的主要目的也受到负面影响。

当比较不同的队列与LMAX的Disruptor时，我遇到了这个问题，试图度量延迟，在LMAX的Disruptor中，有时会出现非常负面的延迟。在这些情况下，开始和结束时间戳是由不同的线程创建的，但是延迟是在这些线程完成之后计算出来的。

这里的代码需要时间使用nanoTime，用currentTimeMillis时间计算固定的原点，并比较调用之间的起源。既然我必须在这里问一个问题:这个代码有什么问题？为什么它违反了固定的原产地合同？或者不是？

import java.text.*;

/**
 * test coherency between {@link System#currentTimeMillis()} and {@link System#nanoTime()}
 */
public class TimeCoherencyTest {

    static final int MAX_THREADS = Math.max( 1, Runtime.getRuntime().availableProcessors() - 1);
    static final long RUNTIME_NS = 1000000000L * 100;
    static final long BIG_OFFSET_MS = 2;

    static long startNanos;
    static long firstNanoOrigin;
    static {
        initNanos();
    }

    private static void initNanos() {
        long    millisBefore = System.currentTimeMillis();
        long    millisAfter;
        do {
            startNanos = System.nanoTime();
            millisAfter = System.currentTimeMillis();
        } while ( millisAfter != millisBefore);
        firstNanoOrigin = ( long) ( millisAfter - ( startNanos / 1e6));
    }

    static NumberFormat lnf = DecimalFormat.getNumberInstance();
    static {
        lnf.setMaximumFractionDigits( 3);
        lnf.setGroupingUsed( true);
    };

    static class TimeCoherency {
        long    firstOrigin;
        long    lastOrigin;
        long    numMismatchToLast = 0;
        long    numMismatchToFirst = 0;
        long    numMismatchToFirstBig = 0;
        long    numChecks = 0;

        public TimeCoherency( long firstNanoOrigin) {
            firstOrigin = firstNanoOrigin;
            lastOrigin = firstOrigin;
        }
    }

    public static void main( String[] args) {
        Thread[]    threads = new Thread[ MAX_THREADS];
        for ( int i = 0;  i < MAX_THREADS;  i++) {
            final int   fi = i;
            final TimeCoherency tc = new TimeCoherency( firstNanoOrigin);
            threads[ i] = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    long    start = getNow( tc);
                    long    firstOrigin = tc.lastOrigin;    // get the first origin for this thread
                    System.out.println( "Thread " + fi + " started at " + lnf.format( start) + " ns");
                    long    nruns = 0;
                    while ( getNow( tc) < RUNTIME_NS) {
                        nruns++;
                    }
                    final long  runTimeNS = getNow( tc) - start;
                    final long  originDrift = tc.lastOrigin - firstOrigin;
                    nruns += 3; // account for start and end call and the one that ends the loop
                    final long skipped = nruns - tc.numChecks;
                    System.out.println( "Thread " + fi + " finished after " + lnf.format( nruns) + " runs in " + lnf.format( runTimeNS) + " ns (" + lnf.format( ( double) runTimeNS / nruns) + " ns/call) with"
                            + "\n\t" + lnf.format( tc.numMismatchToFirst) + " different from first origin (" + lnf.format( 100.0 * tc.numMismatchToFirst / nruns) + "%)"
                            + "\n\t" + lnf.format( tc.numMismatchToLast) + " jumps from last origin (" + lnf.format( 100.0 * tc.numMismatchToLast / nruns) + "%)"
                            + "\n\t" + lnf.format( tc.numMismatchToFirstBig) + " different from first origin by more than " + BIG_OFFSET_MS + " ms"
                                    + " (" + lnf.format( 100.0 * tc.numMismatchToFirstBig / nruns) + "%)"
                            + "\n\t" + "total drift: " + lnf.format( originDrift) + " ms, " + lnf.format( skipped) + " skipped (" + lnf.format( 100.0 * skipped / nruns) + " %)");
                }};
            threads[ i].start();
        }
        try {
            for ( Thread thread : threads) {
                thread.join();
            }
        } catch ( InterruptedException ie) {};
    }

    public static long getNow( TimeCoherency coherency) {
        long    millisBefore = System.currentTimeMillis();
        long    now = System.nanoTime();
        if ( coherency != null) {
            checkOffset( now, millisBefore, coherency);
        }
        return now - startNanos;
    }

    private static void checkOffset( long nanoTime, long millisBefore, TimeCoherency tc) {
        long    millisAfter = System.currentTimeMillis();
        if ( millisBefore != millisAfter) {
            // disregard since thread may have slept between calls
            return;
        }
        tc.numChecks++;
        long    nanoMillis = ( long) ( nanoTime / 1e6);
        long    nanoOrigin = millisAfter - nanoMillis;
        long    oldOrigin = tc.lastOrigin;
        if ( oldOrigin != nanoOrigin) {
            tc.lastOrigin = nanoOrigin;
            tc.numMismatchToLast++;
        }
        if ( tc.firstOrigin != nanoOrigin) {
            tc.numMismatchToFirst++;
        }
        if ( Math.abs( tc.firstOrigin - nanoOrigin) > BIG_OFFSET_MS) {
            tc.numMismatchToFirstBig ++;
        }
    }
}

现在我做了一些小小的改变。基本上，我将nanoTime调用放在两个currentTimeMillis调用之间，以查看线程是否已被重新调度(这应该比currentTimeMillis解析更多)。在这种情况下，我忽略了循环循环。实际上，如果我们知道nanoTime足够快(就像在像常春藤桥这样的较新的体系结构上一样)，我们可以在currentTimeMillis中使用nanoTime。

现在长到10毫秒的跳跃消失了。相反，当我们从每个线程的第一个源文件中得到超过2ms的值时，我们会进行计数。在我测试过的机器上，在100年的运行时，调用之间总是有接近200.000次的跳转。对于这些情况，我认为currentTimeMillis或nanoTime可能是不准确的。

Answer 1

如前所述，每次计算一个新的原点意味着您会受到错误的影响。

//                               ______ delay _______
//                              v                    v
long origin = (long)(System.currentTimeMillis() - System.nanoTime() / 1e6);
//                                                                  ^
//                                                            truncation

如果你修改你的程序，所以你也计算原点的差异，你会发现它是非常小的。大约200 is的平均，我测量到，这是大约对时间延迟。

使用乘法而不是除法(再过几百年就可以避免溢出)，您还会发现，计算出的不通过等式检查的起源数要大得多，约为99%。如果错误的原因是由于时间延迟，则只有当延迟恰好与最后一个相同时，它们才会通过。

一个简单得多的测试是在对nanoTime的一些后续调用中积累经过的时间，并查看它是否使用第一次和最后一次调用进行检查：

public class SimpleTimeCoherencyTest {
    public static void main(String[] args) {
        final long anchorNanos = System.nanoTime();

        long lastNanoTime = System.nanoTime();
        long accumulatedNanos = lastNanoTime - anchorNanos;

        long numCallsSinceAnchor = 1L;

        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            TestRun testRun = new TestRun(accumulatedNanos, lastNanoTime);

            Thread t = new Thread(testRun);
            t.start();

            try {
                t.join();
            } catch(InterruptedException ie) {}

            lastNanoTime = testRun.lastNanoTime;
            accumulatedNanos = testRun.accumulatedNanos;
            numCallsSinceAnchor += testRun.numCallsToNanoTime;
        }

        System.out.println(numCallsSinceAnchor);
        System.out.println(accumulatedNanos);
        System.out.println(lastNanoTime - anchorNanos);
    }

    static class TestRun
    implements Runnable {
        volatile long accumulatedNanos;
        volatile long lastNanoTime;
        volatile long numCallsToNanoTime;

        TestRun(long acc, long last) {
            accumulatedNanos = acc;
            lastNanoTime = last;
        }

        @Override
        public void run() {
            long lastNanos = lastNanoTime;
            long currentNanos;

            do {
                currentNanos = System.nanoTime();
                accumulatedNanos += currentNanos - lastNanos;
                lastNanos = currentNanos;
                numCallsToNanoTime++;
            } while(currentNanos - lastNanoTime <= 100000000L);

            lastNanoTime = lastNanos;
        }
    }
}

该测试确实表明原点相同(或至少误差为零均值)。

Answer 2

据我所知，System.currentTimeMillis()的方法有时确实会跳转，这取决于底层操作系统。我有时也观察到这种行为。

因此，您的代码给我的印象是，您试图得到System.nanoTime()和System.currentTimeMillis()重复次数之间的偏移。您应该尝试通过只调用System.currentTimeMillis()一次来观察这一偏移量，然后才能说System.nanoTimes()有时会导致跳转。

顺便说一句，我不会假装规范(javadoc描述与某个不动点相关的System.nanoTime() )总是完美的实现。您可以查看这个讨论，其中多核CPU或CPU频率的变化会对System.nanoTime()所需的行为产生负面影响。但有一件事是肯定的。System.currentTimeMillis()更容易受到任意跳转的影响。