使用RDTSC和CPUID指令测量执行时间为何输出始终为0？

我是一名C学生，被要求使用G编译器的内联汇编中的CPUID和RDTSC指令，测量1000000个整数的内存分配时间。将Windows Visual Studio的汇编语法适配为G++语法后写出如下代码：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    unsigned cycles_high1=0, cycles_low1=0, cpuid_time=0;
    unsigned cycles_high2=0, cycles_low2=0;
    unsigned  temp_cycles1=0, temp_cycles2=0;
    unsigned total_cycles=0;
     
    asm volatile(
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        "mov %0, %%edx\n\t"
        "mov %1, %%eax\n\t"
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"

        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        "mov %0, %%edx\n\t"
        "mov %1, %%eax\n\t"
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"

        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        "mov %0, %%edx\n\t"
        "mov %1, %%eax\n\t"
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"

        "sub %%eax, %1\n\t"
        "mov %2, %%eax\n\t"
        : "=r" (cycles_high1), "=r" (cycles_low1), "=r" (cpuid_time)
        :
        : "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx"
    );

    cycles_high1=0;
    cycles_low1=0;
    
    asm(
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        "mov %0, %%edx\n\t"
        "mov %1, %%eax\n\t"
        : "=r" (cycles_high1), "=r" (cycles_low1)
        :
        : "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx"
    );

    int *p = (int*)malloc(sizeof(int) * 1000000);

    asm(
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        "mov %0, %%edx\n\t"
        "mov %1, %%eax\n\t"
        : "=r" (cycles_high2), "=r" (cycles_low2)
        :
        : "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx"
    );

    temp_cycles1 = ((unsigned long long)cycles_high1 << 32) | cycles_low1;
    temp_cycles2 = ((unsigned long long)cycles_high2 << 32) | cycles_low2;
    total_cycles = temp_cycles2 - temp_cycles1 - cpuid_time; 

    cout << total_cycles;

    return 0;
}   

我先计算了CPUID的开销时间cpuid_time，并在最后从总测量时间中扣除，但输出始终为0，请问我哪里出错了？

错误分析与修正方案 #

1. CPUID开销计算逻辑完全错误 #

你第一段汇编的逻辑混乱，重复执行多次CPUID+RDTSC后没有正确计算单次CPUID的耗时，反而错误覆盖了cycles_high1和cycles_low1，后续手动将这两个变量置0更是让这段代码完全失效。正确的做法是单独测量两次空CPUID+RDTSC的差值作为基准开销。

2. 变量类型溢出导致结果异常 #

你用32位的unsigned存储64位时间戳拼接结果，temp_cycles1和temp_cycles2的类型应该是unsigned long long，否则64位值会被截断，计算差值时出现溢出，最终结果可能变为0。

3. 编译器优化消除了malloc调用 #

因为你没有使用分配的内存指针p，编译器会将malloc调用优化掉，相当于你测量的是空操作的时间，结果自然为0。需要通过volatile修饰指针或访问内存来阻止优化。

修正后的代码 #

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

// 读取时间戳（带CPUID序列化）
static inline unsigned long long rdtsc() {
    unsigned int lo, hi;
    asm volatile (
        "cpuid\n\t"
        "rdtsc\n\t"
        : "=a"(lo), "=d"(hi)
        :
        : "%rbx", "%rcx"
    );
    return (unsigned long long)hi << 32 | lo;
}

// 测量空CPUID+RDTSC的开销
static inline unsigned long long measure_cpuid_overhead() {
    unsigned long long start = rdtsc();
    unsigned long long end = rdtsc();
    return end - start;
}

int main()
{
    // 测量CPUID开销
    unsigned long long cpuid_overhead = measure_cpuid_overhead();

    // 测量内存分配前的时间
    unsigned long long start = rdtsc();

    // 分配内存，用volatile阻止编译器优化
    volatile int *p = (volatile int*)malloc(sizeof(int) * 1000000);
    // 访问内存确保分配实际完成（避免系统懒加载）
    if (p) {
        p[0] = 1;
    }

    // 测量内存分配后的时间
    unsigned long long end = rdtsc();

    // 计算实际耗时：总时间 - 两次rdtsc的开销
    unsigned long long total_cycles = end - start - cpuid_overhead;

    cout << "内存分配耗时：" << total_cycles << " 时钟周期" << endl;

    if (p) free((void*)p);

    return 0;
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kudor