使用RDTSC以C計算CPU頻率始終返回0

Question

我們的講師給出了以下代碼，因此我們可以測量一些算法性能：

#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，我需要將此代碼移植到具有不同CPU頻率的機器上。 為此，我正在嘗試計算運行代碼的機器的CPU頻率，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;
}

問題是結果總是0，我不明白為什么。 我在VMware上作為訪客運行Linux（Arch）。

在朋友的機器上（MacBook）它在某種程度上起作用; 我的意思是，結果大於0但它是可變的，因為CPU頻率沒有固定（我們試圖修復它但由於某種原因我們無法做到）。 他有一台運行Linux（Ubuntu）作為主機的不同機器，它也報告了0.這排除了虛擬機上的問題，我認為這是最初的問題。

任何想法為什么會發生這種情況，我該如何解決？

Answer 1

好的，既然另一個答案沒有幫助，我會嘗試解釋更多細節。 問題是現代CPU可以不按順序執行指令。 你的代碼開頭是這樣的：

rdtsc
push 1
call sleep
rdtsc

現代的CPU 不一定在原來的順序執行指令，但。 盡管你的原始訂單，CPU（大多數）可以自由執行，就像：

rdtsc
rdtsc
push 1
call sleep

在這種情況下，很明顯為什么兩個rdtsc之間的區別（至少非常接近）為了0.為了防止這種情況，你需要執行CPU 永遠不會重新排列以執行亂序的指令。 最常用的指令是CPUID 。 我鏈接的另一個答案（如果內存服務）大致從那里開始，關於正確/有效地使用CPUID執行此任務所需的步驟。

當然，Tim Post可能是正確的，你也會因為虛擬機而遇到問題。 盡管如此，就目前而言，即使在真實硬件上，也無法保證您的代碼能夠正常工作。

編輯：關於為什么代碼可以工作：首先，指令可以無序執行的事實並不能保證它們會被執行。 其次， sleep中的（至少一些實現）可能包含阻止rdtsc在其周圍重新排列的序列化指令，而其他指令則不包含（或者可能包含它們，但僅在特定（但未指定）的情況下執行它們）。

你剩下的是幾乎任何重新編譯都會改變的行為，甚至只是在一次運行和下一次運行之間。 它可以連續幾十次產生極其准確的結果，然后因某些（幾乎）完全無法解釋的原因而失敗（例如，某些其他過程完全發生的事情）。

Answer 2

我不能肯定地說你的代碼究竟出了什么問題，但是你為這樣一個簡單的指令做了很多不必要的工作。 我建議你大大簡化你的rdtsc代碼。 您不需要進行64位數學運算，並且您不需要將該操作的結果存儲為double。 您不需要在內聯asm中使用單獨的輸出，您可以告訴GCC使用eax和edx。

以下是此代碼的大大簡化版本：

#include <stdint.h>

uint64_t rdtsc() {
    uint64_t ret;

# if __WORDSIZE == 64
    asm ("rdtsc; shl $32, %%rdx; or %%rdx, %%rax;"
        : "=A"(ret)
        : /* no input */
        : "%edx"
    );
#else
    asm ("rdtsc" 
        : "=A"(ret)
    );
#endif
    return ret;
}

此外，你應該考慮打印出你從中得到的值，這樣你就可以看出你是否已經拿出0或其他東西。

Answer 3

至於VMWare，請查看時間保持規范 （PDF鏈接）以及此線程 。 TSC指令（取決於客戶操作系統）：

• 直接傳遞給真正的硬件（光伏客戶）
• 在 VM的主機處理器上執行（在Windows /等）計數周期

注意，在＃2中的虛擬機的主機處理器上執行的一段時間 。 如果我沒記錯的話，Xen也會出現同樣的現象。 從本質上講，您可以預期代碼應該在半虛擬客戶端上按預期工作。 如果模仿，那么期望硬件就像一致性完全是不合理的。

Answer 4

你忘了在你的asm語句中使用volatile ，所以你告訴編譯器每次asm語句產生相同的輸出，就像純函數一樣。 （ volatile僅對沒有輸出的asm語句隱含。）

這就解釋了為什么你得到的正是零：編譯器通過CSE（公共子表達式消除）將編譯時的end-start優化為0 。

請參閱我關於獲取CPU周期數的答案？ 對於__rdtsc()內在函數和@Mysticial的答案，有一個有效的GNU C inline asm，我在這里引用：

 // prefer using the __rdtsc() intrinsic instead of inline asm at all. uint64_t rdtsc(){ unsigned int lo,hi; __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi)); return ((uint64_t)hi << 32) | lo; } 

這對32位和64位代碼正常有效。

Answer 5

嗯，我不是積極的，但我懷疑問題可能出在這一行：

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

我懷疑你是否可以安全地在“無符號”中進行如此大的乘法...這通常不是32位數嗎？ ...只是事實上你不能安全地乘以2 ^ 32並且不得不追加它作為額外的“* 4”添加到最后的2 ^ 30已經暗示了這種可能性......你可能需要將每個子組件hi和lo轉換為double（而不是最后一個）並使用兩個雙精度進行乘法運算