c - 背对背rdtsc进行负时钟周期测量？

Question

我正在编写一个C代码，用于测量获取信号量所需的时钟周期数。我正在使用rdtsc，在对信号量进行测量之前，我连续两次调用rdtsc来测量开销。我在for循环中重复了很多次，然后将平均值用作rdtsc开销。

首先使用平均值是正确的吗？

但是，这里最大的问题是，有时我得到的开销为负值（不一定是平均值，而至少是for循环内的部分值）。

这也会影响sem_wait()操作所需的cpu周期数的连续计算，有时甚至会为负数。如果我写的内容不清楚，这就是我正在处理的部分代码。

为什么我会得到这样的负值？



（编者注：有关获取完整的64位时间戳的正确且可移植的方法，请参见Get CPU cycle count?。 asm约束在为x86-64编译时仅会获得低32位或高32位，具体取决于寄存器分配恰好为"=A"输出选择了RAX或RDX。而不会选择uint64_t。）

（编辑器的第二个注释：哎呀，这就是为什么我们得到负面结果的答案。仍然值得在此处留下注释，以警告您不要复制此edx:eax实现。）

#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

static inline uint64_t get_cycles()
{
  uint64_t t;
           // editor's note: "=A" is unsafe for this in x86-64
  __asm volatile ("rdtsc" : "=A"(t));
  return t;
}

int num_measures = 10;

int main ()
{
   int i, value, res1, res2;
   uint64_t c1, c2;
   int tsccost, tot, a;

   tot=0;    

   for(i=0; i<num_measures; i++)
   {    
      c1 = get_cycles();
      c2 = get_cycles();

      tsccost=(int)(c2-c1);


      if(tsccost<0)
      {
         printf("####  ERROR!!!   ");
         printf("rdtsc took %d clock cycles\n", tsccost);
         return 1;
      }   
      tot = tot+tsccost;
   }

   tsccost=tot/num_measures;
   printf("rdtsc takes on average: %d clock cycles\n", tsccost);      

   return EXIT_SUCCESS;
}

Answer 1

英特尔首次发明TSC时，它测量的是CPU周期。由于各种电源管理功能，“每秒循环数”不是恒定的；因此，TSC最初对衡量代码的性能有好处（而对测量经过的时间不利）。

不论好坏那时，CPU并没有真正进行过多的电源管理，无论如何，CPU通常以固定的“每秒循环数”运行。一些程序员有一个错误的想法，并误用了TSC来测量时间而不是周期。后来（当电源管理功能的使用变得越来越普遍时），这些人滥用TSC来测量时间时，他们就误解了由滥用引起的所有问题。 CPU制造商（从AMD开始）更改了TSC，因此它测量的是时间而不是周期（使之无法测量代码性能，但可以正确测量经过的时间）。这引起了混乱（软件很难确定TSC实际测量的是什么），因此稍后在AMD上，CPUID上添加了“ TSC Invariant”标志，因此，如果设置了此标志，程序员将知道TSC已损坏（用于测量）。周期）或固定（用于测量时间）。

英特尔遵循AMD并更改了TSC的行为以测量时间，并采用了AMD的“ TSC不变”标志。

这给出了4种不同的情况：


TSC衡量时间和性能（每秒周期数不变）
TSC衡量绩效而不是时间
TSC测量时间而不是性能，但不使用“ TSC不变”标志来表示
TSC测量时间而不是性能，并且确实使用“ TSC不变”标志来表示（大多数现代CPU）


对于TSC测量时间的情况，要正确地测量性能/周期，您必须使用性能监视计数器。遗憾的是，性能监控计数器针对不同的CPU（特定于型号）有所不同，并且需要访问MSR（特权代码）。这使得应用程序无法测量“周期”。

还要注意，如果TSC确实测量了时间，您将无法知道它返回的时间标度（“假装周期”中有多少纳秒），而无需使用其他时间源来确定标度因子。

第二个问题是，对于多CPU系统，大多数操作系统都比较糟糕。操作系统处理TSC的正确方法是防止应用程序直接使用它（通过在CR4中设置TSD标志；这样RDTSC指令会导致异常）。这样可以防止各种安全漏洞（定时辅助通道）。它还允许操作系统模拟TSC并确保其返回正确的结果。例如，当应用程序使用RDTSC指令并引起异常时，操作系统的异常处理程序可以找出要返回的正确“全局时间戳”。

当然，不同的CPU都有自己的TSC。这意味着，如果应用程序直接使用TSC，它们将在不同的CPU上获得不同的值。帮助人们解决操作系统无法解决的问题（通过像他们应该的那样模拟RDTSC）； AMD添加了RDTSCP指令，该指令返回TSC和一个“处理器ID”（英特尔最终也采用了RDTSCP指令）。在损坏的操作系统上运行的应用程序可以使用“处理器ID”来检测它们何时与上次在不同的CPU上运行；并且以这种方式（使用RDTSCP指令），他们可以知道何时“经过= TSC-previous_TSC”给出有效的结果。然而;该指令返回的“处理器ID”只是MSR中的一个值，操作系统必须将每个CPU上的该值设置为不同的值-否则RDTSCP表示所有CPU上的“处理器ID”为零。

基本上;如果CPU支持RDTSCP指令，并且OS正确设置了“处理器ID”（使用MSR）；那么RDTSCP指令可以帮助应用程序知道何时获得了不好的“经过时间”结果（但是它无法提供解决或避免不好的结果的方式）。

所以;简而言之，如果您想进行准确的性能测量，则几乎会一头雾水。实际上，您可以期望的最好结果是准确的时间测量；但仅在某些情况下（例如，在单CPU计算机上运行或“固定”到特定CPU上；或在检测到并丢弃无效值的操作系统上正确使用RDTSCP设置了时）。

当然，即使那样，由于IRQ之类的问题，您也将获得不可靠的度量。为此原因;最好在一个循环中多次运行您的代码，并丢弃任何比其他结果高得多的结果。

最后，如果您确实想正确执行此操作，则应该测量测量的开销。为此，您需要测量什么都不做（仅使用RDTSC / RDTSCP指令，而放弃不可靠的测量）。然后从“测量某物”结果中减去测量的开销。这使您可以更好地估计实际“花费”的时间。

注意：如果您可以从《奔腾》首次发布时（1990年代中期-不确定它是否现在可以在线使用-我从1980年代开始就存档了）中提取《英特尔系统编程指南》的副本，您会发现英特尔记录了时间戳记计数器是“可以用来监视和识别处理器事件发生的相对时间”的东西。他们保证（不包括64位环绕）它会单调增加（但不会以固定速率增加），并且至少要花10年才能环绕。手册的最新版本详细记录了时间戳计数器，指出对于较旧的CPU（P6，Pentium M，较旧的Pentium 4），时间戳计数器“随每个内部处理器时钟周期而增加”，而“ Intel（r） SpeedStep（r）技术的过渡可能会影响处理器时钟。”以及较新的CPU（较新的Pentium 4，Core Solo，Core Duo，Core 2，Atom），TSC均以恒定速率递增（这就是“前进的体系结构行为”）。本质上，从一开始，它就是一个（变量）“内部周期计数器”用于时间戳记（而不是一个用于跟踪“墙上时钟”时间的时间计数器），并且这种行为在2000年（基于Pentium 4的发布日期）。