rdtsc,周期太多了

Question

#include <stdio.h>
static inline unsigned long long tick() 
{
        unsigned long long d;
        __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=A" (d) );
        return d;
}

int main()
{
        long long res;
        res=tick();

        res=tick()-res;
        printf("%d",res);
        return 0;
}

我用gcc编译了这段代码,并使用了-O0 -O1 -O2 -O3优化.我总是得到2000-2500个周期.任何人都可以解释这个输出的原因吗？如何度过这些周期？

第一个函数"tick"是错误的.这是对的.

另一个版本的功能"滴答"

static __inline__ unsigned long long tick()
{
  unsigned hi, lo;
  __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a"(lo), "=d"(hi));
  return ( (unsigned long long)lo)|( ((unsigned long long)hi)<<32 );
}

这是-O3的汇编代码

 .file  "rdtsc.c"
.section    .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.LC0:
    .string "%d"
    .text
    .p2align 4,,15
.globl main
    .type   main, @function
main:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl   -4(%ecx)
    pushl   %ebp
    movl    %esp, %ebp
    subl    $40, %esp
    movl    %ecx, -16(%ebp)
    movl    %ebx, -12(%ebp)
    movl    %esi, -8(%ebp)
    movl    %edi, -4(%ebp)
#APP
# 6 "rdtsc.c" 1
    rdtsc
# 0 "" 2
#NO_APP
    movl    %edx, %edi
    movl    %eax, %esi
#APP
# 6 "rdtsc.c" 1
    rdtsc
# 0 "" 2
#NO_APP
    movl    %eax, %ecx
    movl    %edx, %ebx
    subl    %esi, %ecx
    sbbl    %edi, %ebx
    movl    %ecx, 4(%esp)
    movl    %ebx, 8(%esp)
    movl    $.LC0, (%esp)
    call    printf
    movl    -16(%ebp), %ecx
    xorl    %eax, %eax
    movl    -12(%ebp), %ebx
    movl    -8(%ebp), %esi
    movl    -4(%ebp), %edi
    movl    %ebp, %esp
    popl    %ebp
    leal    -4(%ecx), %esp
    ret
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Debian 4.3.2-1.1) 4.3.2"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

这是CPU

processor   : 0
vendor_id   : GenuineIntel
cpu family  : 15
model       : 4
model name  : Intel(R) Xeon(TM) CPU 3.00GHz
stepping    : 3
cpu MHz     : 3000.105
cache size  : 2048 KB
fdiv_bug    : no
hlt_bug     : no
f00f_bug    : no
coma_bug    : no
fpu     : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level : 5
wp      : yes
flags       : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss constant_tsc up pebs bts pni
bogomips    : 6036.62
clflush size    : 64

Answer 1

我已经在几个运行在不同Intel CPU上的Linux发行版上尝试了你的代码(不可否认,它们比你似乎使用的Pentium 4 HT 630更新).在所有这些测试中,我得到的值在25到50个周期之间.

我唯一与所有证据一致的假设是,您在虚拟机内而不是在裸机上运行操作系统,而TSC正在虚拟化.

Answer 2

获得大量数据的原因有很多:

• 操作系统执行了上下文切换,您的进程进入了睡眠状态.
• 发生磁盘搜索,您的进程进入休眠状态.
• ...为什么你的过程可能被忽略的一系列原因中的任何一个.

请注意,rdtsc对于没有工作的计时而言,这不是特别可靠,因为

• 处理器速度可能会发生变化,因此循环的长度(以秒为单位)会发生变化.
• 对于给定的时刻,不同的处理器可以具有不同的TSC值.

大多数操作系统都具有高精度时钟或定时方法.clock_gettime以Linux为例,特别是单调时钟.(了解挂钟和单调时钟之间的区别:挂钟可以向后移动 - 即使是UTC.)在Windows上,我认为建议是QueryHighPerformanceCounter.通常,这些时钟可为大多数需求提供足够的精度.

另外,看看程序集,看起来你只得到了32位的答案:我看不到之后%edx得到保存rdtsc.

运行你的代码,我得到120-150 ns的clock_gettime使用时间CLOCK_MONOTONIC,rdtsc的时间为70-90(全速约20 ns,但我怀疑处理器是时钟降低的,那真是大约50 ns).(在笔记本电脑桌面上(通过SSH,忘了我在哪台机器上!),CPU占用率大约是20%)确定你的机器没有陷入困境？

Answer 3

看起来您的操作系统禁用了用户空间中 RDTSC 的执行。并且您的应用程序必须切换到内核并返回，这需要大量的周期。

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这来自英特尔软件开发人员\xe2\x80\x99s 手册：

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当处于受保护或虚拟 8086 模式时，寄存器 CR4 中的时间戳禁用 (TSD) 标志将限制 RDTSC 指令的使用，如下所示。当 TSD 标志清零时，RDTSC 指令可以在任何特权级别执行；当该标志被设置时，该指令只能在特权级0下执行。（在实地址模式下，RDTSC指令始终启用。）

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编辑：

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在回答 aix 的评论时，我解释了为什么 TSD 很可能是这里的原因。

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我只知道程序执行单个指令的时间比平常长的这些可能性：

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1. 在某些模拟器下运行，
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2. 使用自行修改的代码，
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3. 上下文切换，
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4. 内核开关。
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前两个原因通常不能将执行延迟超过几百个周期。对于上下文/内核切换，2000-2500 个周期更为典型。但实际上不可能在同一个地方多次捕获上下文切换。所以应该是内核切换。这意味着程序在调试器下运行，或者在用户模式下不允许 RDTSC。

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操作系统禁用 RDTSC 最可能的原因可能是安全。有人尝试使用 RDTSC 来破解加密程序。

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