c - 使用 RDTSC 指令测量 C 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

可能影响您得到的结果的问题是:

• 在大多数现代 80x86 CPU 上，TSC 测量的是固定频率时钟而不是周期，因此同一段代码可能具有截然不同的“周期”，具体取决于电源管理、同一核心中其他逻辑 CPU 的负载(超线程)、其他核心的负载(turbo-boost)、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 rdtsc(); 之后立即抢占您的线程。导致生成的“分配周期”包含 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 rdtsc(); 之后立即抢占您的线程。然后在完全不同的 CPU 上运行线程(具有完全不同的 TSC)。在这种情况下，可能是 end - start消极(就像时间倒退一样)。

• 没有什么可以阻止 IRQ(来自硬件)在第一个 rdtsc(); 之后立即中断您的代码。导致最终的“分配周期”包含操作系统处理任意数量的 IRQ 所花费的时间。

• 不可能阻止 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(); 之后执行隐藏的固件代码。导致生成的“分配周期”包含 CPU 执行固件代码所花费的时间。

• 一些(旧)CPU 有一个错误，其中 rdtsc当低 32 位溢出时，会产生不可靠的结果(例如，当 TSC 从 0x00000000FFFFFFFF 变为 0x0000000100000000 时，您可以在错误的时间使用 rdtsc 并得到 0x0000000000000000)。

• 没有什么可以阻止“无序”现代 CPU 重新排列大多数指令的执行顺序，包括您的 rdtsc说明。

• 您的测量包括测量的开销(例如，如果 rdtsc 需要 5 个周期，而您的 malloc() 需要 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；有可能 rdtsc指令是虚拟化的(例如，除了常识之外，没有什么可以阻止内核制作 rdtsc 报告有多少可用磁盘空间或它喜欢的任何其他内容)。理想的rdtsc应该进行虚拟化，以防止上述大多数问题和/或防止定时侧 channel (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。

<小时/>

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，编译器可能会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 值在 EDX:EAX 中返回，并删除 mov完整的说明。