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Windows 高精度計時器 KTimer：RDTSC 週期計數實作

編輯：關於C++

Windows 標準計時器（GetTickCount、timeGetTime）精度僅 1~15 ms。對於效能分析、遊戲迴路、即時系統，需CPU 週期級（納秒級）計時器。本文提供基於 RDTSC 指令的 KTimer 類別，支援 CPU 頻率校準、開銷扣除、週期轉納秒/毫秒。

核心原理

RDTSC（Read Time-Stamp Counter）：讀取 CPU 內部 64 位元週期計數器，指令級精度。
現代 CPU 支援 Invariant TSC（固定頻率），不受睿頻/節能影響，適合跨核心計時。
首次建構時自動測量 Start()/Stop() 開銷（m_overhead），後續測量自動扣除。
Sleep(1000) 校準 CPU 頻率（MHz），假設睡眠誤差可忽略。

完整原始碼（KTimer.h）

#pragma once
#ifndef STRICT
#define STRICT
#endif
#ifndef WIN32_LEAN_AND_MEAN
#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#endif
#include <windows.h>

// 內嵌 RDTSC：_emit 0x0F 0x31
inline unsigned __int64 GetCycleCount() {
    _asm _emit 0x0F
    _asm _emit 0x31
}

class KTimer {
    unsigned __int64 m_startCycle;
    unsigned __int64 m_overhead;  // 開銷週期數

public:
    KTimer() : m_overhead(0) {
        Start();
        m_overhead = Stop();      // 校準開銷
    }

    void Start() {
        m_startCycle = GetCycleCount();
    }

    // 返回扣除開銷後的經過週期
    unsigned __int64 Stop() {
        return GetCycleCount() - m_startCycle - m_overhead;
    }

    // 週期 → 納秒
    static unsigned __int64 CyclesToNanos(unsigned __int64 cycles, unsigned int cpuMHz) {
        return cycles * 1000 / cpuMHz;
    }

    // 週期 → 毫秒
    static unsigned __int64 CyclesToMillis(unsigned __int64 cycles, unsigned int cpuMHz) {
        return cycles / cpuMHz / 1000;
    }

    // 校準 CPU 頻率（MHz）
    unsigned int CPUSpeedMHz() {
        Start();
        Sleep(1000);
        unsigned __int64 cputime = Stop();
        return static_cast<unsigned int>(cputime / 1000000);
    }
};

使用範例

int main() {
    KTimer kt;
    unsigned int cpuMHz = kt.CPUSpeedMHz();  // 校準頻率

    kt.Start();
    Sleep(1234);                             // 模擬待測程式碼
    unsigned __int64 cycles = kt.Stop();

    std::printf("CPU Speed: %.2f GHz\n", cpuMHz / 1000.0);
    std::printf("Elapsed: %llu cycles (%llu ns, %llu ms)\n",
                cycles,
                KTimer::CyclesToNanos(cycles, cpuMHz),
                KTimer::CyclesToMillis(cycles, cpuMHz));
    return 0;
}

注意事項與避坑

議題	說明
多核心/多處理器	舊 CPU TSC 不同步，跨核心遷移導致時間倒流。現代 CPU（Intel Nehalem+、AMD Bulldozer+）支援 Invariant TSC，可安全跨核心。建議 `SetThreadAffinityMask` 綁定單核心。
睡眠/休眠	系統睡眠期間 TSC 不計數，喚醒後數值不連續。長時間測量需配合 `QueryPerformanceCounter` 修正。
虛擬機	Hypervisor 可能虛擬化 TSC，精度與頻率不可信。生產環境建議改用 `QueryPerformanceCounter`（QPC）。
編譯器內建	MSVC/GCC/Clang 提供 `__rdtsc()` / `__builtin_ia32_rdtsc()`，優先使用內建函式替代內嵌組語。
序列化	Out-of-order 執行可能導致 RDTSC 提前/延後。嚴格測量需加 `CPUID` 序列化（`RDTSCP` 指令隱含序列化）。

現代替代方案

QueryPerformanceCounter / QueryPerformanceFrequency：OS 提供、跨平台（Windows）、自動處理 TSC 虛擬化/睡眠修正，精度通常 < 100 ns。
std::chrono::high_resolution_clock（C++11）：C++ 標準介面，Windows 實作基於 QPC。
Linux：clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC_RAW) 或 RDTSC（同樣需注意 TSC 同步）。