精确探测时间

精确探测时间

RDTSC

rdtsc指令返回的是自开机始CPU的周期数，在Intel Pentium以上级别的CPU中，有一个称为“时间戳（Time Stamp）”的部件，它以64位无符号整型数的格式（高32在EDX，低32位在EAX），记录了自CPU上电以来所经过的时钟周期数。由于目前的CPU主频都非常高，因此这个部件可以达到 纳秒级的计时精度。
多核时代不宜再用 x86 的 RDTSC 指令测试指令周期和时间，原因有三：

• 不能保证同一块主板上每个核的 TSC 是同步的；
• CPU 的时钟频率可能变化，例如笔记本电脑的节能功能；
• 乱序执行导致 RDTSC 测得的周期数不准，这个问题从 Pentium Pro 时代就存在

具体讲解在http://blog.youkuaiyun.com/solstice/article/details/5196544

RDTSC 一般的用法是，先后执行两次，记下两个 64-bit 整数 start 和 end，那么 end-start 代表了这期间 CPU 的时钟周期数。

在多核下，这两次执行可能会在两个 CPU 上发生，而这两个 CPU 的计数器的初值不一定相同（由于完成上电复位的准确时机不同），（有办法同步，见[3]），那么就导致 micro-benchmarking 的结果包含了这个误差，这个误差可正可负，取决于先执行的那块 CPU 的时钟计数器是超前还是落后。

另外，对于计时这个用途，时间 = 周期数 / 频率，由于频率可能会变（比如我的笔记本的 CPU 通常半速运行在 800MHz，繁忙的时候全速运行在 1.6GHz），那么测得的时间也就不准确了。有的新 CPU 的 RDTSC 计数频率是恒定的，那么时钟是准了，那又会导致 micro-benchmarking 的结果不准，见 [2]。还有一个可能是掉电之后恢复（比如休眠），那么 TSC 会清零。 总之，用 RDTSC 来计时是不灵的。

现在处理器使用方案

虽然 RDTSC 废掉了，性能测试用的高精度计时还是有办法的 [2]，在 Windows 用 QueryPerformanceCounter 和 QueryPerformanceFrequency，Linux 下用 POSIX 的 clock_gettime 函数，以 CLOCK_MONOTONIC 参数调用。或者按文献 [3] 的办法，先同步 TSC， 再使用它。（我不知道现在最新的 linux 官方内核是不是内置了这个同步算法。也不清楚校准后的两个 CPU 的“钟”会不会再次失步。）

[1] http://www.ccsl.carleton.ca/~jamuir/rdtscpm1.pdf
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Time_Stamp_Counter

[3] x86: unify/rewrite SMP TSC sync code http://lwn.net/Articles/211051/

测试代码

//linux下测试代码
#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h>
 #include<linux/types.h>

#define TIMES 100
#define SIZE 1024

__u64 rdtsc()
{
        __u32 lo,hi;

        __asm__ __volatile__
        (
         "rdtsc":"=a"(lo),"=d"(hi)
        );
        return (__u64)hi<<32|lo;
}

int myfunction()
{
        int i;
        char *p = NULL;
        for(i = 0;i<TIMES;i++)
        {
                p = (char*)malloc(SIZE*sizeof(char));
                if(p)
                {
                    free(p);
                }
                else
                {
                    printf("malloc failed when i = %d\n",i);
                }
        }
        return 0;
}
int test_rdtsc()
{
        __u64 begin;
        __u64 end;

        begin = rdtsc();
        myfunction();
        end = rdtsc();
        printf("myfunction cost %llu CPU cycles\n",end-begin);
        return 0;
}

int main()
{
       test_rdtsc();
        return 0;
}

执行结果如下
root@libin:~/program/assembly/rdtsc# ./test
myfunction cost 310949 CPU cycles

WIN下QueryPerformanceCounter方法