Qtで正確な時間を計測する！QElapsedTimer::ClockTypeとプラットフォーム固有のAPI

2024-08-02

QElapsedTimer::ClockType とは？

Qt の QElapsedTimer クラスは、経過時間を計測するためのクラスです。このクラスの ClockType は、計測に使用するクロックの種類を指定するための列挙型です。

列挙型 ClockType の取りうる値

Monotonic
システムの起動以降の経過時間を基準としたクロックです。システム全体の時間の変化の影響を受けず、単調に増加します。パフォーマンス計測など、経過時間を正確に測定したい場合に適しています。
SystemTime
システム全体の時間を基準としたクロックです。スリープ状態や時刻変更など、システム全体の時間の変化の影響を受けます。

それぞれのクロックタイプの特性と使い分け

ClockType	説明	使用例
SystemTime	システム全体の時間を基準	アプリケーションの実行時間を表示する、ログに記録するなど
Monotonic	システムの起動以降の経過時間を基準	パフォーマンス計測、アニメーションのフレームレート計測など

SystemTime と Monotonic の違い

Monotonic は、経過時間を正確に測定したい場合に適しています。システムの時間が変更されても、計測結果は影響を受けません。ただし、人間が読みやすい時刻を表示する際には、別途システム時間を取得する必要があります。
SystemTime は、人間が読みやすい時刻を表示する際に適しています。しかし、システムの時間が変更された場合や、システムがスリープ状態になった場合、計測結果が不正確になる可能性があります。

#include <QElapsedTimer>

QElapsedTimer timer;
timer.start();

// 何か処理を実行

qint64 elapsed = timer.elapsed();
qDebug() << "経過時間:" << elapsed << "ms";

上記コードでは、Monotonic クロックをデフォルトで使用して、経過時間を計測しています。SystemTime クロックを使用したい場合は、次のようにします。

timer.setClockType(QElapsedTimer::SystemTime);

QElapsedTimer::ClockType は、QElapsedTimer クラスで計測する経過時間の精度を左右する重要な要素です。計測の目的に合わせて、適切なクロックタイプを選択する必要があります。

人間が読みやすい時刻を表示したい場合
SystemTime
パフォーマンス計測など、高精度な計測が必要な場合
Monotonic

Qt の他のタイマー関連クラスとしては、QTimer や QTime などがあります。
QElapsedTimer クラスは、高精度な計測が可能な QElapsedTimer::nsecsElapsed() メソッドも提供しています。

各プラットフォームのドキュメントを参照し、詳細な情報を確認することをおすすめします。
ClockType の選択は、計測の目的やプラットフォームによって異なる場合があります。

QElapsedTimer::ClockType に関連するエラーやトラブルは、主にクロックの種類の選択ミスやプラットフォーム間の差異によって発生することが考えられます。

よくあるエラーとその原因

コンパイルエラー
- 原因
  - ClockType の enum 値が誤っている。
  - ヘッダーファイルのインクルード漏れ。
- 対策
  - ClockType の enum 値を正しく指定する。
  - QElapsedTimer クラスを使用するために必要なヘッダーファイルをインクルードする。
プラットフォーム間で計測結果が異なる
- 原因
  - 各プラットフォームでのクロック実装の違い。
  - システム負荷による影響の違い。
- 対策
  - 各プラットフォームでテストを行い、計測結果を比較する。
  - 必要に応じて、プラットフォーム固有の調整を行う。
計測結果が期待と異なる
- 原因
  - クロックの種類が適切でない（例えば、システム時間が頻繁に変化する環境で SystemTime を使用している）。
  - 計測開始と終了のタイミングが誤っている。
  - 外部要因による影響（スリープ状態、割り込みなど）。
- 対策
  - ClockType を Monotonic に変更して、システム時間の変動の影響を避ける。
  - 計測開始と終了のタイミングを明確にする。
  - 外部要因の影響を最小限にするための工夫を行う。

トラブルシューティングのヒント

コミュニティ
Qt のコミュニティフォーラムや Stack Overflow などの Q&A サイトで、同様のトラブルを抱えているユーザーの解決策を探します。
プロファイラ
プロファイラを使用して、コードのボトルネックを特定し、パフォーマンスを改善できます。
デバッガ
デバッガを使用して、コードの実行をステップ実行し、変数の値を確認することで、問題箇所を特定できます。
ログ出力
計測開始時刻、終了時刻、経過時間をログに出力することで、問題点を特定しやすくなります。

例1: 計測結果が負になる

対策
- 計測開始と終了のタイミングを逆にしていないか確認する。
- 64ビットの整数型を使用するなど、オーバーフローを防ぐ。
原因
- 計測終了前に計測を開始している。
- オーバーフローが発生している。

対策
- nsecsElapsed() メソッドを使用して、より高精度な計測を行う。
- 計測時間を長くする。
原因
- 計測解像度が低すぎる。
- 計測時間が非常に短い。

QTimerとの比較
QTimer は、一定間隔でシグナルを発生させるタイマーであり、QElapsedTimer は経過時間を計測するタイマーです。用途に合わせて使い分けましょう。
プラットフォーム固有の注意点
- Windows
  High Performance Timer の使用を検討する。
- Linux
  CLOCK_MONOTONIC_RAW クロックの使用を検討する。

経過時間を計測する基本的な例

#include <QCoreApplication>
#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    QElapsedTimer timer;
    timer.start();

    // ここに計測したい処理を記述
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        // 何か処理
    }

    qint64 elapsed = timer.elapsed();
    qDebug() << "経過時間:" << elapsed << "ms";

    return a.exec();
}

このコードでは、QElapsedTimer を使用してループ処理の時間を計測しています。デフォルトでは Monotonic クロックが使用されるため、システム時間の変動の影響を受けずに計測結果を得ることができます。

SystemTime クロックを使用する例

#include <QCoreApplication>
#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    QElapsedTimer timer;
    timer.setClockType(QElapsedTimer::SystemTime);
    timer.start();

    // ここに計測したい処理を記述
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        // 何か処理
    }

    qint64 elapsed = timer.elapsed();
    qDebug() << "経過時間:" << elapsed << "ms";

    return a.exec();
}

このコードでは、setClockType() メソッドを使用して、クロックの種類を SystemTime に設定しています。これにより、システム全体の時間を基準とした計測が可能になります。

高精度な計測を行う例

#include <QCoreApplication>
#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    QElapsedTimer timer;
    timer.start();

    // ここに計測したい処理を記述
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        // 何か処理
    }

    qint64 elapsed = timer.nsecsElapsed();
    qDebug() << "経過時間:" << elapsed << "ns";

    return a.exec();
}

このコードでは、nsecsElapsed() メソッドを使用して、ナノ秒単位の高精度な計測を行っています。

複数のタイマーを使用する例

#include <QCoreApplication>
#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    QElapsedTimer timer1, timer2;
    timer1.start();
    timer2.start();

    // 処理1
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        // 何か処理
    }
    qint64 elapsed1 = timer1.elapsed();

    // 処理2
    for (int i = 0; i < 200000; ++i) {
        // 何か処理
    }
    qint64 elapsed2 = timer2.elapsed();

    qDebug() << "処理1の経過時間:" << elapsed1 << "ms";
    qDebug() << "処理2の経過時間:" << elapsed2 << "ms";

    return a.exec();
}

このコードでは、複数の QElapsedTimer オブジェクトを使用して、異なる処理の時間を個別に計測しています。

プラットフォーム依存
計測精度や最小計測単位は、プラットフォームやハードウェアによって異なる場合があります。
オーバーフロー
長時間の計測を行う場合は、オーバーフローに注意する必要があります。nsecsElapsed() を使用することで、オーバーフローのリスクを軽減できます。
計測開始と終了のタイミング
計測したい処理の開始直前に start() を呼び出し、終了直後に elapsed() を呼び出すことで、正確な計測を行うことができます。

プロファイリングツール
プロファイリングツールを使用することで、アプリケーションのパフォーマンスボトルネックを特定し、QElapsedTimer を活用して最適化することができます。
高精度な計測
より高精度な計測が必要な場合は、OS 提供の高精度なタイマーを使用することも検討できます。
QTimerとの違い
QTimer は一定間隔でシグナルを発生させるタイマーであり、QElapsedTimer は経過時間を計測するタイマーです。用途に合わせて使い分けましょう。

GUIアプリケーションでの計測
複数のスレッドでの計測
特定の処理の計測

QElapsedTimer::ClockType は、Qt で経過時間を計測する際に、どのクロックを基準にするかを指定するための列挙型です。主に SystemTime (システム時間) と Monotonic (単調増加する時間) の2種類が使用されます。

この ClockType の代替方法としては、プラットフォーム固有のタイマー API を直接利用する方法が考えられます。

プラットフォーム固有のタイマー API を利用するメリットとデメリット

メリット

特定の機能へのアクセス
プラットフォーム固有の API を利用することで、特定の機能（例えば、プロセッサ時間、ウォールクロック時間など）にアクセスできることがあります。
高精度な計測
プラットフォーム固有の API は、より細かい単位での計測を可能にする場合があります。

デメリット

可搬性
プラットフォーム間の動作が異なる可能性があります。
複雑さ
プラットフォーム固有の API は、Qt の QElapsedTimer に比べて、使用法が複雑になる場合があります。
プラットフォーム依存性
コードの移植性が低下します。

代表的なプラットフォームのタイマー API

macOS
- mach_absolute_time: カーネル時間（絶対時間）を取得する。
- gettimeofday: UNIX 時間を取得する。
Linux
- clock_gettime: 指定したクロックIDに対応する時間を取得する。
  - CLOCK_MONOTONIC: QElapsedTimer の Monotonic に相当
  - CLOCK_REALTIME: QElapsedTimer の SystemTime に相当
Windows
- QueryPerformanceCounter: 高精度なパフォーマンスカウンターを取得する。
- GetSystemTimeAsFileTime: ファイルシステム時間としてシステム時間を取得する。

#include <chrono>
#include <iostream>

int main() {
    using namespace std::chrono;

    // 開始時刻を取得
    auto start = steady_clock::now();

    // 計測したい処理

    // 終了時刻を取得
    auto end = steady_clock::now();

    // 経過時間を計算 (ナノ秒単位)
    auto elapsed = duration_cast<nanoseconds>(end - start);
    std::cout << "経過時間: " << elapsed.count() << " ns" << std::endl;

    return 0;
}

QElapsedTimer::ClockType の代替として、プラットフォーム固有のタイマー API を利用することで、より高度な計測が可能になります。しかし、プラットフォーム依存性や複雑性が増すため、慎重に検討する必要があります。

QElapsedTimer::ClockType を利用するべきか、プラットフォーム固有の API を利用するべきかは、以下の要因によって決まります。

開発の容易さ
開発期間が短い場合や、可搬性を重視する場合。
機能
プラットフォーム固有の機能が必要な場合。
プラットフォーム依存性
特定のプラットフォームに限定した開発である場合。
計測精度
極めて高い精度が要求される場合。

既存のコード
既存のコードとの整合性。
求められる精度
マイクロ秒、ナノ秒など。
計測したいもの
CPU時間、ウォールクロック時間、I/O時間など。
対象プラットフォーム
Windows, Linux, macOS などのいずれか。