当我启用“TiedToExecution”时，为什么 VirtualBox 中的 TSC 会更大？

Question

背景（我对 rdtsc 如何虚拟化的理解）：我正在 VirtualBox 中试验 TSC 值。我目前对 VirtualBox 如何模拟 rdtsc 的理解是，在虚拟模式下，对 rdtsc 的任何调用都将被预定结果偏移，该结果是在另一个寄存器中设置的值。当虚拟机启动时，该值在主机上为 rdtsc。

此策略的优点是 rdtsc 将以预期方式随挂钟时间提前，但缺点是进程可能会认为 rdtsc 花费的时间比预期更长。例如，在这样的简单代码中：

x = rdtsc();
y = rdtsc();
z = y - x;
print z

在来宾上执行时，由于与捕获 rdtsc 相关的挂钟时间成本，z 可能会比预期大。如果主机操作系统在这两个调用之间交换 VirtualBox 进程，情况会更糟。

通过阅读 VirtualBox 手册（更改 TSC 模式），我了解到有一种替代虚拟化技术可以直接模拟 TSC。据我了解，偏移值只会考虑客户操作系统实际使用 CPU 的时间。优点是，就可用周期而言，TSC 的行为与在主机上完全相同。缺点是 TSC 会偏离挂钟时间，因为存在客户操作系统不知道的“丢失周期”。

我的目标：我正在尝试设置 VirtualBox 来执行第二个选项。我想模拟 rdtsc 的短期行为，就好像它尽可能精确地在硬件中运行一样，并且我不在乎它是否与挂钟时间不匹配。我完全意识到这对 SMP 来说并不“可靠”；它是为了实验而不是企业软件。

我做了什么：首先，我编写了一个简单的测试程序，它重复调用rdtsc，然后打印结果：

__inline__ uint64_t rdtsc()
{
    uint32_t lo, hi;
    __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
    return (uint64_t)hi << 32 | lo;
}

int main()
{
    int i;
    uint64_t val[8];

    val[0] = rdtsc();    
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();
    val[0] = rdtsc();

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        printf("rdtsc (%2d): %llX", i, val[i]);
        if (i > 0) {
            printf("\t\t (+%llX)", (val[i] - val[i - 1]));
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

我在我的主机上尝试了这个程序。然后，我在我的 VirtualBox 机器上运行它。 rdtsc 之间的增量本质上是相同的——唯一的区别是我的主机上的值本身大约多了 30T。示例输出：

rdtsc ( 0): 334F2252A1824
rdtsc ( 1): 334F2252A1836    (+12)
rdtsc ( 2): 334F2252A1853    (+1D)
rdtsc ( 3): 334F2252A1865    (+12)
rdtsc ( 4): 334F2252A1877    (+12)
rdtsc ( 5): 334F2252A1889    (+12)
rdtsc ( 6): 334F2252A18A6    (+1D)
rdtsc ( 7): 334F2252A18B8    (+12)

然后，我更改了 VirtualBox 中的 TSCTiedToExecution 标志，我认为该标志应该忽略挂钟时间，以支持更精确的虚拟周期计数。我从上面提到的手册页中得到了这个：

./VBoxManage setextradata "HelloWorld" "VBoxInternal/TM/TSCTiedToExecution" 1

然而，这给了我意想不到的结果。虚拟程序现在返回：

rdtsc ( 0): F2252A1824
rdtsc ( 1): F2252A1836   (+B12)
rdtsc ( 2): F2252A1853   (+B1D)
rdtsc ( 3): F2252A1865   (+AFF)
rdtsc ( 4): F2252A1877   (+B13)
rdtsc ( 5): F2252A1889   (+AF2)
rdtsc ( 6): F2252A18A6   (+B1D)
rdtsc ( 7): F2252A18B8   (+B0C)

随着 TSCTiedToExecution 打开，rdtsc 似乎需要大约 1100 个周期来执行......

问题： 首先，我想知道为什么我会得到这个行为？这似乎与我的预期几乎相反，而且它肯定与我对其实现方式的理解不符。

其次，我想知道如何才能实现我最初的目标，即让 TSC 在每个虚拟周期中前进，就像在硬件上一样？

我的设置：我正在 8x Intel(R) Xeon(R) CPU X5550 @ 2.67GHz 上运行。 VirtualBox 启用了 VMX 和嵌套分页。我从源代码编译它，版本：4.1.2_OSE r38459。

提前致谢。

PS我对此开始了赏金，但仍然没有答案......

Answer 1

为了让自己哭泣，请尝试禁用“VBoxInternal/TM/TSCTiedToExecution”并再次运行您的测试程序。 下一个代码

ULONGLONG x1 = Cpu::Rdtsc();
ULONGLONG x2 = Cpu::Rdtsc();

DbgPrintUlong('D', x2 - x1, 30, 23);

在禁用“VBoxInternal/TM/TSCTiedToExecution”的 VirtualBox 上运行的 显示 x2 - x1 花费了大约 200 000 个周期。相比之下，在启用“VBoxInternal/TM/TSCTiedToExecution”的机器上，只需要 3000 个 jf 周期。我认为，这种减少是 VirtualBox 手册中的下一段话所指的：“在特殊情况下，让来宾中的 TSC（时间戳计数器）反映实际执行来宾所花费的时间可能很有用。”

所以，我认为在很长一段时间内我们不会在 VirtualBox 中拥有更好的 TSC 仿真。

我唯一可以建议的是转向 VmWare Workstation。它对 TSC 有更好的仿真。