使用 RDTSC 指令测量 C 中的代码执行时间

Question

我编写了一个简单的程序来使用 RDTSC 指令测量代码执行时间。但是我不知道我的结果是否正确以及我的代码是否有问题......我不知道如何验证它。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

#define N (1024*4)

unsigned cycles_low, cycles_high, cycles_low1, cycles_high1;

static __inline__ unsigned long long rdtsc(void)
{
    __asm__ __volatile__ ("RDTSC\n\t"
            "mov %%edx, %0\n\t"
            "mov %%eax, %1\n\t": "=r" (cycles_high), "=r" (cycles_low)::
            "%rax", "rbx", "rcx", "rdx");
}

static __inline__ unsigned long long rdtsc1(void)
{
    __asm__ __volatile__ ("RDTSC\n\t"
            "mov %%edx, %0\n\t"
            "mov %%eax, %1\n\t": "=r" (cycles_high1), "=r" (cycles_low1)::
            "%rax", "rbx", "rcx", "rdx");
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    uint64_t start, end;

    rdtsc();
    malloc(N);
    rdtsc1();

    start = ( ((uint64_t)cycles_high << 32) | cycles_low );
    end = ( ((uint64_t)cycles_high1 << 32) | cycles_low1 );

    printf("cycles spent in allocating %d bytes of memory: %llu\n",N, end - start);

    return 0;
}

Answer 1

可能影响您获得的结果的问题是：

• 在大多数现代 80x86 CPU 上，TSC 测量固定频率时钟而不是周期，因此，根据电源管理、同一内核中其他逻辑 CPU 上的负载（超线程），同一段代码可能具有截然不同的“周期”，其他核心上的负载（涡轮增压）、CPU 温度（热节流）等。

• 没有什么可以阻止操作系统的调度程序在第一个线程之后立即抢占您的线程rdtsc();，从而导致产生的“周期分配时间”包括 CPU 执行任意数量的完全不同进程所花费的时间。

• 在某些计算机上，不同 CPU 上的 TSC 不同步；并且没有什么可以阻止操作系统在第一个线程之后立即抢占您的线程rdtsc();，然后在完全不同的 CPU（具有完全不同的 TSC）上运行您的线程。在这种情况下，它可能end - start是负数（就像时间倒退一样）。

• 没有什么可以阻止 IRQ（来自硬件）在第一次中断之后立即中断您的代码rdtsc();，从而导致产生的“分配所用的周期”包括操作系统花费在处理任意数量 IRQ 上的时间。

• 不可能防止 SMI（“系统管理中断”）导致 CPU 进入 SMM（“系统管理模式”）并在第一个rdtsc();导致产生的“分配周期花费”包括 CPU 花费执行时间之后执行隐藏的固件代码固件代码。

• 一些（旧的）CPU 有一个错误，rdtsc当低 32 位溢出时（例如，当 TSC 从 0x00000000FFFFFFFF 变为 0x0000000100000000 时，您可以rdtsc在完全错误的时间使用并得到 0x0000000000000000 时）会产生错误的结果。

• 没有什么能阻止“乱序”现代 CPU 重新排列大多数指令的执行顺序，包括您的rdtsc指令。

• 您的测量包括测量的开销（例如，如果rdtsc需要 5 个周期并且您的malloc()成本为 20 个周期，那么您报告的是 25 个周期而不是 20 个周期）。

• 有或没有虚拟机；rdtsc指令可能是虚拟化的（例如，除了常识之外，没有什么能阻止内核rdtsc报告有多少可用磁盘空间或它喜欢的任何其他内容）。理想情况下rdtsc应该进行虚拟化以防止上述大多数问题和/或防止定时边信道（但几乎从来没有）。

• 在非常旧的 CPU（80486 及更早版本）上，TSC 和rdtsc指令不存在。

注意：我不是 GCC 内联汇编方面的专家；但我强烈怀疑你的宏有问题，编译器可以选择生成这样的东西：

    rdtsc
    mov %edx, %eax        ;Oops, trashed the low 32 bits
    mov %eax, %ebx

应该可以告诉 GCC 在 EDX:EAX 中返回值并mov完全摆脱这两个指令。