Qtアプリケーションのパフォーマンス測定にQElapsedTimerを活用

2024-08-02

QElapsedTimer::hasExpired()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。そして、hasExpired()関数は、この経過時間が一定の時間を超えたかどうかを判定する関数です。

具体的な動作

経過時間の計測
QElapsedTimerオブジェクトを作成し、start()関数で計測を開始します。
時間超過の判定
hasExpired(timeout)関数に、超えたい時間（ミリ秒単位）を指定します。この関数呼び出し時点で計測された経過時間が、指定した時間よりも大きければtrueを、そうでなければfalseを返します。

使用例

#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

int main() {
    QElapsedTimer timer;
    timer.start();

    // 何か処理を実行
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        // ここに処理を書く
    }

    // 500ミリ秒経過したか確認
    if (timer.hasExpired(500)) {
        qDebug() << "500ミリ秒経過しました";
    } else {
        qDebug() << "500ミリ秒経過していません";
    }

    return 0;
}

ゲームやシミュレーション
ゲームのキャラクターの移動速度や、シミュレーションのステップ間隔などを制御するのに利用できます。
タイムアウト処理
特定の処理が一定時間内に完了しない場合、タイムアウトと判断し、別の処理に移行したり、エラー処理を行ったりすることができます。
処理時間の計測
ある処理の実行時間が一定時間を超えないか確認することで、パフォーマンスのボトルネックを特定したり、処理を中断したりすることができます。

計測終了
invalidate()関数で計測を無効化できます。
計測再開
restart()関数で計測を再開できます。
計測開始
start()関数を呼び出すことで、計測を開始します。
単位
hasExpired()関数の引数であるtimeoutはミリ秒単位で指定します。

QElapsedTimer::hasExpired()関数は、Qtアプリケーションにおいて、経過時間を計測し、一定時間経過したかどうかを判定する上で非常に便利な関数です。処理時間の計測、タイムアウト処理など、さまざまな場面で活用することができます。

より詳細な情報については、Qtの公式ドキュメントをご参照ください。

Qtの公式ドキュメント

QElapsedTimer::hasExpired() 関数を使用する際に発生する可能性のあるエラーやトラブル、そしてそれらの解決策について、より具体的に見ていきましょう。

よくあるエラーとその原因

hasExpired()の挙動が不安定
- 原因
  - スレッド間でQElapsedTimerオブジェクトを共有している。
  - QElapsedTimerオブジェクトが破棄されている。
- 解決策
  - スレッドごとにQElapsedTimerオブジェクトを作成する。
  - QElapsedTimerオブジェクトのスコープを適切に管理する。
hasExpired()が常にtrueを返す
- 原因
  - timeout値が非常に小さいか、0に設定されている。
  - システムの負荷が高く、処理が遅延している。
- 解決策
  - timeout値を適切な値に設定する。
  - システムの負荷を減らす。
- 原因
  - start()関数が呼ばれていない。
  - 計測開始後に時間が経過していない。
  - システムクロックが停止しているか、誤った値を示している。
- 解決策
  - start()関数を呼び出してからhasExpired()を呼び出す。
  - 十分な時間が経過していることを確認する。
  - システムクロックの設定を確認する。

スレッドセーフ
- 問題
  - QElapsedTimerはスレッドセーフではないため、複数のスレッドから同時にアクセスすると予期せぬ結果になる可能性がある。
- 解決策
  - スレッドごとにQElapsedTimerオブジェクトを作成する。
  - スレッド間の同期処理を行う。
計測精度
- 問題
  - QElapsedTimerの計測精度はシステムに依存するため、非常に短い時間を計測する場合は誤差が発生する可能性がある。
- 解決策
  - より高精度なタイマーが必要な場合は、OSの提供する高精度タイマーAPIを使用する。
  - 計測したい時間の長さに合わせて、適切なtimeout値を設定する。

シンプルな例で検証する
- 複雑なコードから、QElapsedTimerの動作に焦点を当てたシンプルなコードを作成し、問題を再現してみる。
ログを出力する
- qDebug()関数などで、計測開始時刻、経過時間、hasExpired()の戻り値などをログに出力することで、問題の原因を特定しやすくなる。
デバッガを使用する
- ブレークポイントを設定して、hasExpired()関数の呼び出し箇所や戻り値を確認する。

QElapsedTimer::hasExpired()関数を使用する際には、以下の点に注意することで、安定した動作を実現できます。

システムの負荷や計測精度に影響される可能性があることを考慮する。
スレッドセーフに注意する。
timeout値を適切に設定する。
start()関数を呼び出す。

具体的なコード例

#include <QElapsedTimer>
#include <QThread>

class MyThread : public QThread
{
public:
    void run() override
    {
        QElapsedTimer timer;
        timer.start();

        // 何か処理を実行
        // ...

        // スレッド内でQElapsedTimerを使用
        if (timer.hasExpired(1000)) {
            qDebug() << "1秒経過しました";
        }
    }
};

より詳しい情報

Qtの公式ドキュメント:

例

処理時間の計測

#include <QElapsedTimer>
#include <QDebug>

void longRunningTask() {
    QElapsedTimer timer;
    timer.start();

    // 時間がかかる処理
    for (int i = 0; i < 10000000; ++i) {
        // ...
    }

    qDebug() << "処理時間:" << timer.elapsed() << "ミリ秒";
}

この例では、longRunningTask 関数の実行時間を計測しています。hasExpired() 関数ではなく elapsed() 関数を使用していますが、hasExpired() を利用すれば、特定の時間が経過した時点で処理を中断したり、別の処理に移行したりすることができます。

タイムアウト処理

#include <QElapsedTimer>

void timedOperation(int timeout) {
    QElapsedTimer timer;
    timer.start();

    while (!timer.hasExpired(timeout)) {
        // タイムアウトになるまで繰り返す処理
        // ...
        QCoreApplication::processEvents(); // イベントループを回す
    }

    qDebug() << "タイムアウト";
}

この例では、timeout ミリ秒経過するまでループを続ける処理を実装しています。QCoreApplication::processEvents() を呼び出すことで、他のイベントも処理できるようにしています。

ゲームにおける経過時間に基づく処理

#include <QElapsedTimer>

class GameCharacter {
public:
    void update(int deltaTime) {
        // deltaTime: 前回の更新から経過した時間(ミリ秒)

        m_elapsedTime += deltaTime;
        if (m_elapsedTime > 1000) {
            // 1秒ごとに何かしらの処理を行う
            m_elapsedTime = 0;
            // ...
        }
    }

private:
    int m_elapsedTime = 0;
    QElapsedTimer m_timer;
};

この例では、ゲームキャラクターの更新処理で、QElapsedTimer を使って経過時間を管理しています。deltaTime を使って毎フレームの経過時間を加算し、1秒ごとに特定の処理を実行しています。

#include <QElapsedTimer>
#include <QThread>

class WorkerThread : public QThread {
public:
    void run() override {
        QElapsedTimer timer;
        timer.start();

        // 長時間かかる処理
        // ...

        emit taskFinished(timer.elapsed());
    }
};

この例では、ワーカースレッドで長時間かかる処理を実行し、処理時間が終了時にメインスレッドに通知しています。

モノトニッククロック
QElapsedTimer は通常、モノトニッククロックを使用するため、システム時刻の変化の影響を受けにくいです。
精度
QElapsedTimer の精度はシステムに依存します。非常に短い時間を計測する場合は、誤差が発生する可能性があります。
スレッドセーフ
QElapsedTimer はスレッドセーフではないため、複数のスレッドから同時にアクセスする場合は注意が必要です。スレッドごとにインスタンスを作成するか、適切な同期処理を行う必要があります。

QElapsedTimer::hasExpired()は、Qtで経過時間を計測し、一定時間が経過したかを判定する際に非常に便利な関数ですが、状況によっては他の方法も検討できます。

QTimerクラスを利用する

使用例
特徴
- 定期的にシグナルを発信し、スロット関数で処理を行う。
- 単発のタイマーとしても、繰り返しタイマーとしても利用可能。

#include <QTimer>

QTimer timer;
timer.setInterval(1000); // 1秒間隔
connect(&timer, &QTimer::timeout, this, &YourClass::onTimeout);
timer.start();

デメリット
- 精度がQElapsedTimerに比べて劣る場合がある。
- 複数のタイマーを管理する場合、コードが複雑になる可能性がある。
メリット
- イベント駆動型で、他の処理と並行して実行できる。
- QTimerはQtのイベントループと統合されており、スムーズな処理が可能。

std::chronoを利用する（C++11以降）

使用例
特徴
- C++標準ライブラリのクロック機能を提供。
- 高精度な時間計測が可能。

#include <chrono>

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// ... 処理 ...
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start);
if (duratio   n.count() > 1000) {
    // 1秒経過
}

デメリット
- Qtのイベントループと直接統合されていないため、独自にスレッドやイベントループを管理する必要がある。
メリット
- 高精度な時間計測が可能。
- プラットフォームに依存しない。

OSの提供するタイマーAPIを利用する

デメリット
- プラットフォーム依存性が高く、移植性が低い。
- 使用方法が複雑になる場合がある。
特徴
- OS固有のタイマー機能を利用できる。
- 高精度な時間計測や、割り込み処理など、より高度な機能が利用可能。

OSの提供するタイマーAPI
- OS固有の機能を最大限に活用したい場合。
std::chrono
- 高精度な時間計測が必要な場合、またはQt以外の環境でも利用したい場合。
QTimer
- イベント駆動型の処理や、繰り返し処理を行う場合。
QElapsedTimer::hasExpired()
- Qtアプリケーション内で、シンプルな経過時間計測を行う場合。

選択のポイント

統合性
Qtのイベントループとの統合の度合い。
複雑さ
コードの複雑さをどの程度許容できるか。
プラットフォーム依存性
どのプラットフォームで動作させるか。
精度
どの程度の精度が必要か。

QElapsedTimer::hasExpired()は、Qtアプリケーションで簡単に経過時間を計測できる便利な関数ですが、状況に応じて他の方法も検討することで、より最適なソリューションを選択することができます。

OSの提供するタイマーAPIの具体的な使用方法については、各OSのドキュメントを参照してください。
std::chrono は、C++11以降で利用可能です。
QElapsedTimer は、スレッドセーフではありません。複数のスレッドから同時にアクセスする場合は注意が必要です。