使用rdtsc指令进行时钟周期级测量

最近在进行页热度测量方面的试验，里面需要测定一些函数、流程所花费的时间。

Linux提供的API——gettimeofday()可以获取微秒级的精度。但是，首先它不能提供纳秒级精度，其次，他是一个库函数（可能不是系统调用），自身就有一定的开销，当我需要纳秒级精度时，误差会很大。

而且，我测定函数的性能，以时钟周期为单位比纳秒更加合理。当不同型号的CPU的频率不同时，运行时间可能差很多，但是时钟周期应该差不了多少（如果指令集一样的话）。

那么怎么测定时钟周期呢？x86处理器为我们提供了rdtsc指令。从pentium开始，很多x86处理器都引入了TSC(Time Stamp Counter)，一个64位的寄存器，每个CPU时钟周期其值加一。它记录了CPU从上电开始总共经历的时钟周期数。一个2.5GHz的CPU如果全速运行的话，那么其TSC就会在一秒内增加2,500,000,000。在使用过程中，不用担心TSC会溢出，因此64位整数可以“应付”一个2.5GHz的CPU运行217年！

rdtsc指令把TSC的低32位存放在EAX寄存器中，把TSC的高32位存放在EDX寄存器中。该指令可以在用户态执行。可以使用GCC内嵌汇编实现在用户态获取时钟周期：

uint64_t current_cycles()
{
    uint32_t low, high;
    asm volatile("rdtsc" : "=a"(low), "=d"(high));
    return ((uint64_t)low) | ((uint64_t)high << 32);
}

测量时的方式就是：

uint64_t start, end;
start = current_cycles();
// do something
end = current_cycles();

但是该函数自身肯定也会带来开销，end - start的值不仅是“do something”的开销，也含有一次current_cycles()调用的开销。那么该函数自身的开销是多少呢？

经过测定，在不同CPU上开销还有较大差异：

当然，rdtsc也有很多坑，最大的问题还是在多核环境下，不同的CPU core的TSC值很可能是不同的。因此该方法仅能用于Debug环境！详见《Pitfalls of TSC usage》。