通过 RDTSC 指令从 CPU 寄存器中直接获取系统时钟

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通过 RDTSC 指令从 CPU 寄存器中直接获取系统时钟

很多时候我们使用函数 gettimeofday 以及 clock_gettime 作为我们获取 wall lock的时钟函数。

因为这两种函数是 glibc 提供的用户封装，简单易用，而且能够精确到 ns，对于大多数的时钟需求场景都已经够用了。

但是如果我们的应用调用时钟频繁且对多线程场景下时钟的单调性要求不是特别高的时候，以上提到的两个 glibc 函数的开销其实是有点大的。

gettimeofday 底层是会调用到系统调用 sys_gettimeofday，执行逻辑会陷入内核，将内核保存的 walllock 和 jiffies 做一个综合的精度计算，将计算结果从内核态拷贝到用户态，交给timeval，这整个过程可以说开销是比较大的。（需要系统调用）
clock_gettime，这个函数同样的需要执行一个系统调用 ,并且做精度处理之后才返回给用户态。

举个例子，我们分布式系统中的打点系统可以说非常重要，事关整个系统健康情况的展示，能够帮助我们提前或者及时得准确发现系统中潜在的问题，但是因为这一些打点需要在关键路径上，往往对整个系统性能会有一定的损耗。而这一些打点并不影响整个分布式系统中为分布式事务选择的时钟（可以用两套时钟），只需要能够计算出一个操作前后的时间差即可，保持单线程内的单调性即可。

所以，如果我们的系统中所有的时钟都采用 glibc 实现的两种方式，对于频繁的打点系统来说代价实在是有点大，而且对关键路径的性能都会有一定的影响。

今天介绍一个可以从 CPU 寄存器中直接获取 walllock 的汇编指令 RDTSC。

我们目前大多数的服务器系统是 AMD64 , x86_32/x86_64 位，可以通过如下代码获取：

#include 
#include int main() { uint64_t a,d,t;__asm__ volatile("rdtsc" : "=a"(a), "=d"(d));t = ((d << 32) | a);printf("%lu
",t);return 0;
}

拿到的 walllock 是自1970.1.1 到现在的CPU周期数，对于 GHZ 的CPU 来说单位就是ns。

我们的服务器主板有一个即使机器断电重启也不会重设的存储单元 RTC，它会将当前机器到 1970.1.1 经过的时间转化为当前机器的CPU时钟周期并存储下来。

我们的CPU 在完成一个时钟周期之后会在 MSR(model-specific register) 寄存器中存储计数(64位)，我们的 RDTSC (read Time-Stamp Counter) 指令就是直接从 MSR 寄存器中取出计数信息，其中的高32位放在 edx 寄存器中，低 32位放在eax 寄存器中。

这也就是为什么我们在AMD64 下执行这个指令需要在取到结果之后对存储高 32位数据的 d 变量做一个移位。

这样我们就可以完整得实现一个在AMD64 架构下的 rdtsc 指令的时间统计：

#include 
#include static inline 
uint64_t rdtsc_time() { uint64_t a,d;__asm__ volatile("rdtsc" : "=a"(a), "=d"(d));return ((d << 32) | a);
}static inline 
uint64_t clock_to_nsec(uint64_t begin, uint64_t end) { double clock_diff;//  这里做一些简单的单调性处理, 防止 end < begin.if (end < begin)return (0);clock_diff = (double)(end - begin);return ((uint64_t)(clock_diff);
}int main() { uint64_t start_ns = rdtsc_time();// do some code......uint64_t end_ns = rdtsc_time();fprintf(stdout, "code execute time(ns) : %lu
", clock_to_nsec(start_ns, end_ns));return 0;
}

为了兼容不同的平台，像 i386 以及 arm 平台，所以，我们需要变更 rdtsc_time 函数为如下形态(不同架构下的获取时钟指令有一些差异)：

static inline uint64_t
rdtsc_time(void)
{ 
#if defined(__i386)  // intel 80386 架构{ uint64_t x;__asm__ volatile("rdtsc" : "=A"(x));return (x);}
#elif defined(__amd64) // amd x86_64架构{ uint64_t a, d;__asm__ volatile("rdtsc" : "=a"(a), "=d"(d));return ((d << 32) | a);}
#elif defined(__aarch64__) // arm 64为架构{ uint64_t t;__asm__ volatile("mrs %0,  cntvct_el0" : "=r"(t));return (t);}
#elsereturn (0);
#endif
}

参考：

https://www.amd.com/system/files/TechDocs/24594.pdf

https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/ia-32-ia-64-benchmark-code-execution-paper.pdf

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