使用 RDTSC 在 C 中计算 CPU 频率总是返回 0

Question

下面的代码是我们的导师给我们的，所以我们可以衡量一些算法的性能:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

static unsigned cyc_hi = 0, cyc_lo = 0;

static void access_counter(unsigned *hi, unsigned *lo) {
    asm("rdtsc; movl %%edx,%0; movl %%eax,%1"
    : "=r" (*hi), "=r" (*lo)
    : /* No input */
    : "%edx", "%eax");
}

void start_counter() {
    access_counter(&cyc_hi, &cyc_lo);
}

double get_counter() {
    unsigned ncyc_hi, ncyc_lo, hi, lo, borrow;
    double result;

    access_counter(&ncyc_hi, &ncyc_lo);

    lo = ncyc_lo - cyc_lo;
    borrow = lo > ncyc_lo;
    hi = ncyc_hi - cyc_hi - borrow;

    result = (double) hi * (1 << 30) * 4 + lo;

    return result;
}

但是，我需要此代码能够移植到具有不同 CPU 频率的机器上。为此，我正在尝试计算运行代码的机器的 CPU 频率，如下所示:

int main(void)
{
    double c1, c2;

    start_counter();

    c1 = get_counter();
    sleep(1);
    c2 = get_counter();

    printf("CPU Frequency: %.1f MHz\n", (c2-c1)/1E6);
    printf("CPU Frequency: %.1f GHz\n", (c2-c1)/1E9);

    return 0;
}

问题是结果总是0，我不明白为什么。我在 VMware 上以访客身份运行 Linux (Arch)。

在 friend 的机器(MacBook)上，它在某种程度上可以工作；我的意思是，结果大于 0 但它是可变的，因为 CPU 频率不固定(我们试图修复它但由于某种原因我们无法做到)。他有一台运行 Linux (Ubuntu) 作为主机的不同机器，它也报告 0。这排除了虚拟机上的问题，我一开始以为是问题所在。

知道为什么会发生这种情况吗？我该如何解决？

Answer 1

好的，既然其他答案没有帮助，我会尝试更详细地解释。问题是现代 CPU 可以乱序执行指令。你的代码开始是这样的:

rdtsc
push 1
call sleep
rdtsc

不过，现代 CPU 不一定必须按指令的原始顺序执行指令。尽管有您的原始命令，但 CPU(大部分)可以自由执行，就像:

rdtsc
rdtsc
push 1
call sleep

在这种情况下，很明显为什么两个 rdtsc 之间的差异会(至少非常接近)0。为防止这种情况发生，您需要执行一条指令，CPU 将 < em>从不重新排列以乱序执行。最常用的指令是 CPUID。我链接的另一个答案应该(如果没记错的话)大致从那里开始，关于正确/有效地使用 CPUID 完成此任务的必要步骤。

当然，Tim Post 可能是对的，您也看到了虚拟机的问题。尽管如此，就目前情况而言，无法保证您的代码即使在真实硬件上也能正常工作。

编辑:关于为什么代码会工作:好吧，首先，指令可以乱序执行的事实并不能保证它们< em>将会。其次，sleep 的(至少某些实现)可能包含序列化指令以防止 rdtsc 围绕它重新排列，而其他的则没有(或可能包含它们，但仅在特定(但未指定)的情况下执行它们)。

剩下的是几乎任何重新编译都可能改变的行为，甚至只是在一次运行和下一次运行之间。它可以连续数十次产生极其准确的结果，然后由于某些(几乎)完全无法解释的原因(例如，完全在其他过程中发生的事情)而失败。