如何确定在C程序中执行的x86机器指令的数量？

Question

我正在做一个家庭作业问题,要求我找出运行我在C中写的短程序时执行的机器代码指令的数量.

问题是我可以使用我想要的任何工具来解决它,但我对C很新,并且很少知道如何解决这个问题.

我需要哪些类型的工具来解决这个问题？

Answer 1

术语:您要求的是动态指令计数.例如,每次执行时计算循环内的指令.这通常与性能大致相关,但每周期指令可能会有很大差异.

• 每个汇编指令需要多少个CPU周期？
• 在预测现代超标量处理器上的操作延迟时需要考虑哪些因素以及如何手动计算它们？

人们也看到的是静态指令计数(或者通常只是代码大小,因为这对于指令缓存占用和磁盘加载时间来说真正重要).对于像x86这样的可变长度指令集,它们是相关的,但不是相同的.在具有固定长度指令的RISC上,例如MIPS或AArch64,它更接近,但您仍然可以使用填充来对齐函数的开始.这是一个完全独立的指标. gcc -Os优化代码大小,同时尽量不牺牲速度.

如果您使用的是Linux,请使用gcc -O2 foo.c编译代码. -O2不为gcc启用自动矢量化.(它适用于铿锵声).它可能是一个很好的基线优化级别,可以消除实际上不需要发生的C代码中的内容,避免使用更多或更少的tmp变量来分解大表达式之间的愚蠢差异.-Og如果你想要最小化优化,或者-O0如果你想要真正愚蠢的脑code代码分别编译每个语句并且从不在语句之间保留任何东西,也许可以使用.(为什么clang用-O0产生效率低的asm(对于这个简单的浮点和)？).

是的,这是相当重要的巨大量如何编译. gcc -O3 -march=native -ffast-math如果它自动矢量化循环,可能会使用更少的指令.

要阻止代码优化,请从命令行arg获取输入,或从volatile变量中读取它.喜欢volatile int size_volatile = 1234; int size = size_volatile;.返回或打印结果,因为如果程序没有副作用,那么最有效的实现就是立即退出.

然后跑perf stat ./a.out.这将使用硬件性能计数器为您提供代表您的进程执行的完整指令,包括内核内部.(与其他计数器一起,如CPU核心时钟周期,以及一些软件计数器page-faults和时间,以微秒为单位.)

要仅计算用户空间指令,请使用perf stat -e instructions:u ./a.out.即使对于简单的"hello world"程序(如180k),这仍然是一个非常大的数字,因为这包括动态链接器启动和在库函数内运行的所有代码.和CRT启动代码调用你的main,并exit使用main返回值进行系统调用,如果你返回而不是调用exit(3).

您可以静态链接您的C程序,通过编译来减少启动开销 gcc -O2 -static -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie

perfinstructions:u在我的Skylake CPU上计数似乎相当准确.静态链接的x86-64二进制文件仅包含2条指令mov eax, 231/ syscall,计为3条指令.可能在内核和用户模式之间的转换中有一个额外的指令被计算,但这是非常小的.

$ perf stat -e instructions:u ./exit    # hand-written in asm to check for perf overhead

 Performance counter stats for './exit':

                 3      instructions:u                                              

       0.000651529 seconds time elapsed

一个静态链接的二进制文件,调用puts两次计数33,202 instructions:u,用gcc -O2 -static -fno-stack-protector -fno-pie -no-pie hello.c.编译.在调用之前,glibc init函数(包括stdio和CRT启动函数)似乎是合理的main.(main本身只有8条指令,我查过objdump -drwC -Mintel a.out | less).

其他资源:

• 执行指令的数量与Hello World程序Nasm Assembly和C不同

  @MichaelPetch的答案显示了如何使用不需要启动代码的备用libc(MUSL)来运行它printf.因此,您可以编译C程序并将其设置main为ELF入口点(并调用_exit()而不是返回).

• 如何分析在Linux上运行的C++代码？有大量用于查找热点的分析工具和昂贵的功能(包括在他们调用的函数中花费的时间,即堆栈回溯分析).但这主要不是关于计算指令.

二进制仪器工具:

这些是计算指令的重要工具,包括仅计算特定类型的指令.

• 英特尔引脚 - 动态二进制仪表工具

• 英特尔®软件开发仿真器(SDE) 这是基于PIN的,对于在不支持AVX512的开发机器上测试AVX512代码这样的事情非常方便.(它动态地重新编译,因此大多数指令本机运行,但不支持的指令调用仿真例程.)

  例如,sde64 -mix -- ./my_program将为您的程序打印指令组合,每个不同指令的总计数和类别细分.有关输出类型的示例,请参阅使用AVX编译的libsvm与无AVX编译.

  它还为您提供了每个函数的总动态指令计数表,以及每线程和全局表. 但是,SDE混合输出在PIE可执行文件上不能正常工作:它认为动态链接器是可执行文件(因为它是),所以编译时使用gcc -O2 -no-pie -fno-pie prog.c -o prog.尽管如此,它仍然没有在概要输出中看到puts调用或者main它自己的测试程序,我不知道为什么不.

• 使用英特尔®软件开发仿真器(英特尔®SDE)计算"FLOP"使用 SDE计算某些类型指令的示例,例如vfmadd231pd.

  Intel CPU具有用于事件的HW perf计数器fp_arith_inst_retired.256b_packed_double,因此您可以使用它们来计算FLOP.他们实际上将FMA视为2个事件.因此,如果您的英特尔CPU可以本机运行您的代码,那么您可以使用perf stat -e -e fp_arith_inst_retired.256b_packed_double,fp_arith_inst_retired.128b_packed_double,fp_arith_inst_retired.scalar_double.(和/或单精度事件.)

  但是大多数其他特定类型的指令都没有事件,只有FP数学.

这是英特尔的全部内容; IDK是什么,或者除了x86之外的任何ISA内容.这些只是我听说过的工具; 我敢肯定有很多东西我要遗漏了.