使用 RDTSC 在 C 中计算 CPU 频率始终返回 0

Question

我们的讲师向我们提供了以下代码，以便我们可以测量一些算法的性能：

#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，我需要将此代码移植到具有不同 CPU 频率的机器上。为此，我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;
}

问题是结果始终为 0，我无法理解为什么。我在 VMware 上以访客身份运行 Linux (Arch)。

在朋友的机器（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这一点）。他有另一台运行 Linux (Ubuntu) 作为主机的机器，它也报告 0。这排除了问题出在虚拟机上的可能性，我一开始认为这是问题所在。

任何想法为什么会发生这种情况以及如何解决它？

Answer 1

好吧，由于其他答案没有帮助，我将尝试更详细地解释。问题是现代 CPU 可能会乱序执行指令。您的代码开始时类似于：

rdtsc
push 1
call sleep
rdtsc

现代 CPU 不一定按其原始顺序执行指令。不管你原来的命令是什么，CPU（大部分）都可以自由地执行，就像：

rdtsc
rdtsc
push 1
call sleep

在这种情况下，很明显为什么两个 rdtsc 之间的差异将是（至少非常接近）0。为了防止这种情况发生，您需要执行一条 CPU 永远不会重新排列以乱序执行的指令。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 来完成此任务所需的步骤。

当然，Tim Post 可能是对的，而且您也可能会因为虚拟机而遇到问题。尽管如此，就目前而言，即使在真实的硬件上，也不能保证您的代码能够正常工作。

编辑：至于为什么代码会工作：嗯，首先，指令可以乱序执行这一事实并不能保证它们会是。其次，sleep（至少某些实现）可能包含阻止 rdtsc 在其周围重新排列的序列化指令，而其他实现则不包含（或可能包含它们，但仅在特定（但未指定）情况下执行它们）。

剩下的行为可能会随着几乎任何重新编译而改变，甚至只是在一次运行和下一次运行之间发生改变。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而失败（例如，完全在其他过程中发生的事情）。

Answer 2

我不能肯定地说你的代码到底出了什么问题，但你为这样一个简单的指令做了相当多不必要的工作。我建议您大幅简化您的 rdtsc 代码。您不需要自己进行 64 位数学运算，也不需要将该运算的结果存储为双精度。您不需要在内联汇编中使用单独的输出，您可以告诉 GCC 使用 eax 和 edx。

这是此代码的一个大大简化的版本：

#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，您还应该考虑打印出从中获得的值，以便您可以查看是否获得了 0 或其他值。

Answer 3

至于 VMWare，请查看计时规范（PDF 链接），如下所示以及此线程。 TSC 指令是（取决于来宾操作系统）：

• 直接传递到真实硬件（PV 来宾）
• 当虚拟机在主机处理器（Windows / 等）上执行时对周期进行计数

注意，在 #2 中当虚拟机在主机处理器上执行时。如果我没记错的话，Xen 也会出现同样的现象。本质上，您可以预期代码应该在半虚拟化来宾上按预期工作。如果进行仿真，那么期望像硬件一样的一致性是完全不合理的。

Answer 4

您忘记在 asm 语句中使用 volatile，因此您告诉编译器 asm 语句每次都会产生相同的输出，例如一个纯函数。 （易失性仅对于没有输出的asm语句是隐式的。）

这解释了为什么你的结果完全为零：编译器优化了在编译时，通过 CSE（公共子表达式消除）将 end-start 转换为 0。

请参阅我对 获取 CPU 周期计数？ 的回答，了解 __rdtsc( ) 内在的，@Mysticial 的答案有工作 GNU C 内联汇编，我将在这里引用：

// 更喜欢使用 __rdtsc() 内在函数而不是内联汇编。
uint64_t rdtsc(){
    无符号整型 lo,hi;
    __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
    返回 ((uint64_t)hi << 32) |瞧；
}

对于 32 位和 64 位代码，这可以正确有效地工作。

Answer 5

嗯，我不太肯定，但我怀疑问题可能出在这一行内：

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

我怀疑你是否可以安全地在“无符号”中执行如此巨大的乘法......这通常不是一个 32 位数字吗？ ...事实上，您无法安全地乘以 2^32 并且必须将其作为额外的“* 4”添加到最后的 2^30 中，这一事实已经暗示了这种可能性...您可能需要将每个子组件 hi 和 lo 转换为双精度型（而不是最后的单个双精度型），并使用两个双精度型进行乘法