为什么我的 System.nanoTime() 坏了？

Question

我自己和当时的另一位开发人员最近从工作中的 Core 2 Duo 机器转移到了新的 Core 2 Quad 9505；两者都运行 Windows XP SP3 32 位和 JDK 1.6.0_18。

这样做后，我们对某些计时/统计/指标聚合代码的一些自动化单元测试立即开始失败，因为从 System.nanoTime() 返回的值似乎很荒谬。

在我的机器上可靠地显示此行为的测试代码是：

import static org.junit.Assert.assertThat;

import org.hamcrest.Matchers;
import org.junit.Test;

public class NanoTest {

  @Test
  public void testNanoTime() throws InterruptedException {
    final long sleepMillis = 5000;

    long nanosBefore = System.nanoTime();
    long millisBefore = System.currentTimeMillis();

    Thread.sleep(sleepMillis);

    long nanosTaken = System.nanoTime() - nanosBefore;
    long millisTaken = System.currentTimeMillis() - millisBefore;

    System.out.println("nanosTaken="+nanosTaken);
    System.out.println("millisTaken="+millisTaken);

    // Check it slept within 10% of requested time
    assertThat((double)millisTaken, Matchers.closeTo(sleepMillis, sleepMillis * 0.1));
    assertThat((double)nanosTaken, Matchers.closeTo(sleepMillis * 1000000, sleepMillis * 1000000 * 0.1));
  }

}

典型输出：

millisTaken=5001
nanosTaken=2243785148

运行 100 倍会产生实际睡眠时间 33% 到 60% 之间的纳米结果；但通常在 40% 左右。

我了解 Windows 中计时器准确性的弱点，并阅读了相关线程，例如 Is System. nanoTime() 跨线程一致？，但是我的理解是 System.nanoTime() 的目的正是我们使用它的目的：- 测量经过的时间；比 currentTimeMillis() 更准确。

有谁知道为什么它会返回如此疯狂的结果？这可能是硬件架构问题（唯一发生变化的是这台机器上的CPU/主板）？我当前硬件的 Windows HAL 有问题吗？ JDK 问题？我应该放弃 nanoTime() 吗？我应该在某处记录错误，或者对如何进一步调查有任何建议吗？

更新 19/07 03:15 UTC：在尝试下面 finnw 的测试用例后，我做了一些更多的谷歌搜索，遇到了诸如 bugid:6440250。这也让我想起了周五晚些时候我注意到的其他一些奇怪的行为，其中 ping 值变为负数。所以我将 /usepmtimer 添加到我的 boot.ini 中，现在所有测试都按预期运行，并且我的 ping 也正常。

我有点困惑为什么这仍然是一个问题；根据我的阅读，我认为 TSC 与 PMT 问题在 Windows XP SP3 中已基本得到解决。难道是因为我的机器本来是SP2的，后来打补丁到了SP3，而不是原来安装的SP3？我现在还想知道是否应该安装 MS KB896256 上的补丁。也许我应该与公司桌面构建团队一起解决这个问题？

Answer 1

通过将 /usepmtimer 添加到我的 C:\boot.ini字符串；强制 Windows 使用电源管理计时器而不是 TSC。鉴于我使用的是 XP SP3，为什么我需要这样做是一个悬而未决的问题，因为我知道这是默认设置，但也许这是由于我的计算机修补到 SP3 的方式所致。

Answer 2

在我的系统（Windows 7 64 位、Core i7 980X）上：

nanosTaken=4999902563
millisTaken=5001

System.nanoTime() 使用特定于操作系统的调用，因此我预计您会在 Windows/处理器组合中看到错误。

Answer 3

您可能想阅读其他堆栈溢出问题的答案： Is System.nanoTime() 完全没用？。

总之，nanoTime 依赖于操作系统计时器，而该计时器可能会受到多核 CPU 存在的影响。因此，nanoTime 在某些操作系统和 CPU 组合上可能没有那么有用，在打算在多个目标平台上运行的可移植 Java 代码中使用它时应小心。网络上似乎有很多关于这个问题的抱怨，但对于有意义的替代方案却没有太多共识。

Answer 4

很难判断这是一个错误还是内核之间正常的计时器变化。

您可以尝试的一个实验是使用本机调用来强制线程在特定核心上运行。

另外，为了排除电源管理影响，请尝试在循环中旋转作为 sleep() 的替代方案：

import com.sun.jna.Native;
import com.sun.jna.NativeLong;
import com.sun.jna.platform.win32.Kernel32;
import com.sun.jna.platform.win32.W32API;

public class AffinityTest {

    private static void testNanoTime(boolean sameCore, boolean spin)
    throws InterruptedException {
        W32API.HANDLE hThread = kernel.GetCurrentThread();
        final long sleepMillis = 5000;

        kernel.SetThreadAffinityMask(hThread, new NativeLong(1L));
        Thread.yield();
        long nanosBefore = System.nanoTime();
        long millisBefore = System.currentTimeMillis();

        kernel.SetThreadAffinityMask(hThread, new NativeLong(sameCore? 1L: 2L));
        if (spin) {
            Thread.yield();
            while (System.currentTimeMillis() - millisBefore < sleepMillis)
                ;
        } else {
            Thread.sleep(sleepMillis);
        }

        long nanosTaken = System.nanoTime() - nanosBefore;
        long millisTaken = System.currentTimeMillis() - millisBefore;

        System.out.println("nanosTaken="+nanosTaken);
        System.out.println("millisTaken="+millisTaken);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("Sleeping, different cores");
        testNanoTime(false, false);
        System.out.println("\nSleeping, same core");
        testNanoTime(true, false);
        System.out.println("\nSpinning, different cores");
        testNanoTime(false, true);
        System.out.println("\nSpinning, same core");
        testNanoTime(true, true);
    }

    private static final Kernel32Ex kernel =
        (Kernel32Ex) Native.loadLibrary(Kernel32Ex.class);

}

interface Kernel32Ex extends Kernel32 {
    NativeLong SetThreadAffinityMask(HANDLE hThread, NativeLong dwAffinityMask);
}

如果根据内核选择您得到非常不同的结果（例如，同一内核上为 5000ms，但在不同内核上为 2200ms）核心），这表明问题只是核心之间的自然计时器变化。

如果睡眠与旋转得到的结果截然不同，则更有可能是由于电源管理减慢了时钟速度。

如果四个结果中没有一个接近 5000 毫秒，则可能是一个错误。