VC++ 內嵌組語使用 RDTSC 精確測量程式碼執行週期

現代 x86/x64 CPU 內建 64-bit 時間戳計數器 (TSC)，以 CPU 核心頻率遞增。使用 RDTSC (Read Time-Stamp Counter) 指令可在使用者模式以極低開銷 (<10 cycles) 讀取當前計數值，適用於微基準測試、效能分析、偵測虛擬化/除錯器延遲。

一、RDTSC 基本用法

// 內嵌組語 (MSVC 32-bit)
unsigned long long ReadTSC() {
    unsigned int low, high;
    __asm {
        rdtsc
        mov low, eax
        mov high, edx
    }
    return ((unsigned long long)high << 32) | low;
}

64-bit 模式下 RDTSC 直接回傳於 RAX，MSVC 提供編譯器內建函式：

#include <intrin.h>
#pragma intrinsic(__rdtsc)
unsigned long long tsc = __rdtsc(); // 跨平台、無需組語

二、完整測量範例

#include <iostream>
#include <intrin.h>
#include <windows.h>

using namespace std;

int main() {
    // 取得 CPU 頻率 (Hz) - 簡易法：QueryPerformanceFrequency 不等於 CPU 頻率！
    // 正確做法：WMI 查詢、CPUID leaf 0x15/0x16、或 /proc/cpuinfo (Linux)
    // 此處假設 3.0 GHz 示範
    const double cpuFreqGHz = 3.0;

    unsigned long long start = __rdtsc();

    // 被測程式碼
    volatile int sum = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) sum += i;

    unsigned long long end = __rdtsc();
    unsigned long long cycles = end - start;

    double seconds = cycles / (cpuFreqGHz * 1e9);
    cout << "Cycles: " << cycles << "\n";
    cout << "Time:   " << seconds * 1e6 << " us\n";
    cout << "Sum:    " << sum << " (防止優化移除)\n";

    return 0;
}

三、關鍵注意事項與陷阱

四、進階：RDTSCP 與序列化

// RDTSCP: 讀取 TSC 並取得 IA32_TSC_AUX (核心 ID)，語意上序列化
unsigned long long ReadTSCP(unsigned int* pCoreId = nullptr) {
    unsigned int low, high, aux;
    __asm {
        rdtscp
        mov low, eax
        mov high, edx
        mov aux, ecx
    }
    if (pCoreId) *pCoreId = aux;
    return ((unsigned long long)high << 32) | low;
}

五、替代方案比較

六、實務建議

1. 測量前 SetThreadAffinityMask(GetCurrentThread(), 1) 鎖定核心 0。
2. 預熱：先執行數次被測函式填充指令/資料快取。
3. 重複測量 1000+ 次取中位數，排除 OS 抽插、中斷干擾。
4. 關閉超執緒、測試期間固定 CPU 頻率 (BIOS/電源計畫)。
5. 針對函式層級分析，優先使用 Visual Studio Profiler/VTune/perf 等專業工具。

RDTSC 是效能工程師工具箱中的「手術刀」——銳利但需精準操作。善用內建函式 __rdtsc/__rdtscp 取代手寫組語，配合親和性鎖定與統計方法，可獲得可信度極高的微基準數據。