Intel平台Mac/PC下C++如何读取CPU指令数、缓存缺失等性能计数器

你需要的已执行指令数、缓存缺失数、内存访问数这类指标，都可以通过CPU的**性能监控单元（PMU）**获取，下面分你的两个开发环境给出具体实现方式：

Intel Mac（Xcode）环境 #

macOS支持通过系统API或直接读取PMU寄存器获取这些指标，注意读取PMU需要开启权限：

1. 先启用性能事件支持：
   打开终端执行sudo sysctl -w kern.perf_events_enabled=1，或者在代码中通过sysctl系统调用设置。
2. 代码层面可用perf_event_open系统调用（兼容Linux/macOS）配置和读取PMU事件，示例代码片段（读取已执行指令数和L1缓存缺失数）：

   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/syscall.h>
   #include <linux/perf_event.h>
   #include <asm/unistd.h>
   #include <string.h>
   
   static long perf_event_open(struct perf_event_attr *hw_event, pid_t pid,
                               int cpu, int group_fd, unsigned long flags) {
       return syscall(__NR_perf_event_open, hw_event, pid, cpu, group_fd, flags);
   }
   
   int main() {
       struct perf_event_attr attr_inst, attr_cache;
       int fd_inst, fd_cache;
       unsigned long long count_inst, count_cache;
   
       // 配置已执行指令数事件
       memset(&attr_inst, 0, sizeof(struct perf_event_attr));
       attr_inst.type = PERF_TYPE_HARDWARE;
       attr_inst.size = sizeof(struct perf_event_attr);
       attr_inst.config = PERF_COUNT_HW_INSTRUCTIONS;
       attr_inst.disabled = 1;
       attr_inst.exclude_kernel = 1; // 排除内核指令
       attr_inst.exclude_hv = 1; // 排除虚拟机管理程序指令
   
       fd_inst = perf_event_open(&attr_inst, 0, -1, -1, 0);
       if (fd_inst == -1) {
           perror("perf_event_open failed");
           exit(EXIT_FAILURE);
       }
   
       // 配置L1缓存缺失事件
       memset(&attr_cache, 0, sizeof(struct perf_event_attr));
       attr_cache.type = PERF_TYPE_HW_CACHE;
       attr_cache.size = sizeof(struct perf_event_attr);
       attr_cache.config = PERF_COUNT_HW_CACHE_L1D | (PERF_COUNT_HW_CACHE_OP_READ << 8) | (PERF_COUNT_HW_CACHE_RESULT_MISS << 16);
       attr_cache.disabled = 1;
       attr_cache.exclude_kernel = 1;
       attr_cache.exclude_hv = 1;
   
       fd_cache = perf_event_open(&attr_cache, 0, -1, -1, 0);
       if (fd_cache == -1) {
           perror("perf_event_open cache failed");
           exit(EXIT_FAILURE);
       }
   
       // 启动计数器
       ioctl(fd_inst, PERF_EVENT_IOC_RESET, 0);
       ioctl(fd_inst, PERF_EVENT_IOC_ENABLE, 0);
       ioctl(fd_cache, PERF_EVENT_IOC_RESET, 0);
       ioctl(fd_cache, PERF_EVENT_IOC_ENABLE, 0);
   
       // --- 这里放你要测量的代码 ---
       for (int i = 0; i < 1000000; i++);
       // --- 测量结束 ---
   
       // 停止计数器并读取结果
       ioctl(fd_inst, PERF_EVENT_IOC_DISABLE, 0);
       ioctl(fd_cache, PERF_EVENT_IOC_DISABLE, 0);
       read(fd_inst, &count_inst, sizeof(unsigned long long));
       read(fd_cache, &count_cache, sizeof(unsigned long long));
   
       printf("已执行指令数: %llu\n", count_inst);
       printf("L1缓存缺失数: %llu\n", count_cache);
   
       close(fd_inst);
       close(fd_cache);
       return 0;
   }
   

   编译用clang：clang -o perf_test perf_test.c，运行需sudo权限：sudo ./perf_test。
3. 也可以用Xcode自带的Instruments工具（Time Profiler、Cache Misses模板）可视化这些指标，无需编写代码即可快速定位瓶颈。

Windows（Visual Studio）环境 #

Windows下有两种主流方式获取这些指标：

1. Performance Data Helper (PDH) API：系统提供的高层API，无需特权级，适合获取进程级性能数据，示例代码片段（读取当前进程的已执行指令数和L2缓存缺失数）：

   #include <windows.h>
   #include <pdh.h>
   #include <stdio.h>
   
   #pragma comment(lib, "pdh.lib")
   
   int main() {
       PDH_HQUERY hQuery;
       PDH_HCOUNTER hCounterInst, hCounterCache;
       PDH_FMT_COUNTERVALUE counterValue;
   
       // 创建查询
       if (PdhOpenQuery(NULL, 0, &hQuery) != ERROR_SUCCESS) {
           printf("PdhOpenQuery failed\n");
           return 1;
       }
   
       // 添加已执行指令数计数器（当前进程）
       if (PdhAddCounter(hQuery, L"\\Process(%PID%)\\Instructions Retired", 0, &hCounterInst) != ERROR_SUCCESS) {
           printf("PdhAddCounter instructions failed\n");
           PdhCloseQuery(hQuery);
           return 1;
       }
       // 添加L2缓存缺失计数器（当前进程）
       if (PdhAddCounter(hQuery, L"\\Process(%PID%)\\L2 Cache Misses", 0, &hCounterCache) != ERROR_SUCCESS) {
           printf("PdhAddCounter cache failed\n");
           PdhRemoveCounter(hCounterInst);
           PdhCloseQuery(hQuery);
           return 1;
       }
   
       // 初始化计数器
       PdhCollectQueryData(hQuery);
   
       // --- 这里放你要测量的代码 ---
       for (int i = 0; i < 1000000; i++);
       // --- 测量结束 ---
   
       // 获取计数器值
       PdhCollectQueryData(hQuery);
       if (PdhGetFormattedCounterValue(hCounterInst, PDH_FMT_LARGE, NULL, &counterValue) == ERROR_SUCCESS) {
           printf("已执行指令数: %llu\n", counterValue.largeValue);
       }
       if (PdhGetFormattedCounterValue(hCounterCache, PDH_FMT_LARGE, NULL, &counterValue) == ERROR_SUCCESS) {
           printf("L2缓存缺失数: %llu\n", counterValue.largeValue);
       }
   
       // 清理资源
       PdhRemoveCounter(hCounterInst);
       PdhRemoveCounter(hCounterCache);
       PdhCloseQuery(hQuery);
       return 0;
   }
   

   %PID%会自动替换为当前进程ID，直接用Visual Studio编译即可，无需额外配置。
2. 直接读取PMU寄存器（__rdpmc指令）：可获取周期级细粒度数据，但需要特权级，且需根据Intel CPU手册配置PMU事件选择寄存器，适合底层性能分析，建议优先使用PDH API。
3. Visual Studio自带的**性能探查器（Performance Profiler）**可直接分析代码的指令数、缓存缺失、内存访问等指标，支持可视化和火焰图展示，适合快速排查问题。

注意事项 #

• 与rdtsc结合使用时，要确保计数器读取和rdtsc调用同步，可将代码绑定到单个CPU核心减少上下文切换影响。
• 单次测量误差较大，建议多次采样取平均值。
• 不同Intel CPU型号的PMU事件编码可能略有差异，使用系统抽象API可避免兼容性问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user19179144