关于System.nanoTime()的一点理解

编程入门行业动态更新时间:2024-10-26 14:39:03

事情起源

最近在研究Java中的Random实现的时候，发现Random的种子有用到System.nanoTime()

public Random() {
    this(seedUniquifier() ^ System.nanoTime());
}

以前在学Java的时候，就听别人说过，Java中的随机数都是伪随机数，是通过随机种子通过复杂的计算得到的，而Java中的种子和时间有关，但是为什么用的是这个方法呢？搜索一番之后得出结论，原来是因为，现在计算机的运行速度很快，如果使用常规时间去做种子的话，有可能出现生成的随机数差别很小甚至完全一样的情况。而nanotime()这个方法，返回的是纳秒级精度的时间，以此作为种子更能保证生成数字的随机性。

出于好（无）奇（聊），我便研究了下这个方法。

首先是源码

在IDE中点进方法源码，发现这个方法是个调用系统实现的native方法，具体实现源码是看不到的

public static native long nanoTime();

没了源码只能看看文档了，文档中对这个方法的介绍如下（文档来自javadoc，通过谷歌翻译为中文）

返回正在运行的Java虚拟机的高分辨率时间源的当前值，以纳秒为单位。

此方法只能用于测量经过的时间，并且与系统或挂钟时间的任何其他概念无关。返回的值表示纳秒，因为某些固定的任意原点时间（可能在将来，因此值可能为负）。

在Java虚拟机的实例中，所有对此方法的调用都使用相同的原点;其他虚拟机实例可能使用不同的来源。此方法提供纳秒级精度，但不一定是纳秒级分辨率（即，值的变化频率） - 除了分辨率至少与currentTimeMillis（）的分辨率一样好之外，不做任何保证。

连续调用的差异超过大约292年（2^63纳秒）将无法正确计算由于数值溢出而导致的经过时间。只有在计算在Java虚拟机的同一实例中获得的两个此类值之间的差异时，此方法返回的值才有意义。

例如，要测量某些代码执行所需的时间：

long startTime = System.nanoTime（）; // ...正在测量的代码...... long estimatedTime = System.nanoTime（） - startTime; 比较两个nanoTime值 long t0 = System.nanoTime（）; ... long t1 = System.nanoTime（）;

一个应该使用t1 - t0 <0，而不是t1 <t0，因为数字溢出的可能性.

Returns：正在运行的Java虚拟机的高分辨率时间源的当前值，以纳秒为单位

从以下版本开始：1.5

嗯...翻译有点感人，不过大概能看懂是干嘛的。

返回正在运行的Java虚拟机的高分辨率时间源的当前值，以纳秒为单位。
此方法只能用于测量经过的时间，并且与系统或挂钟时间的任何其他概念无关。

System.nanoTime()是基于cpu核心的时钟周期来计时,它的开始时间是不确定的，网上有篇文章说是更加cpu核心的启动时间开始计算的，不过具体的我也不能确定，只知道是与cpu有关就是了。

从文档来看，System.nanoTime()这个方法一个比较显著的应用是用来提供高精度的计时，不过两次调用的间隔不能超过2^63纳秒（大概292年），目前来看，应该暂时没有人有这么长的需求...

我在网上看到有人说，使用System.nanoTime()去计时会有隐患，比如在多核处理器上运行，不同的调用可能获取的是不同的核心的时间，而多核处理器不同核心的启动时间可能不完全一致，这样会造成计时错误，但是在Stack Overflow上我找到了一个问答：

Is System.nanoTime() completely useless?

这个问答里面说明，在windows系统上这曾经是一个问题，但是现在它被修复了，因此现在使用System.nanoTime()很安全（至少在同一个虚拟机内）。

还有一个值得关注的问题是，System.nanoTime()的性能不如System.currentTimeMillis()，这是因为

System.currentTimeMillis()是使用GetSystemTimeAsFileTime方法实现的，该方法基本上只读取Windows维护的低分辨率时间值。根据所报告的信息，读取这个全局变量自然很快 - 大约6个周期。 System.nanoTime()使用实现所述QueryPerformanceCounter/ QueryPerformanceFrequency API（如果可用的话，否则它返回currentTimeMillis*10^6)。 QueryPerformanceCounter(QPC)在这取决于它的运行在硬件上不同的方式实现。通常，其使用两可编程间隔计时器（PIT）或ACPI电源管理计时器（PMT），或CPU级别的时间戳计数器（TSC）访问PIT / PMT需要执行慢速I / O端口指令，因此QPC的执行时间大约为几微秒。 100个时钟周期的顺序（从芯片读取TSC并将其转换为基于工作频率的时间值）。

但是即使性能较慢，System.nanoTime()仍然能够提供更精确的计时，因为自身的精度足够高，即使单次运行需要耗费额外的几纳秒（也许），也无足轻重。