如何测量含未退休推测指令的程序执行指令数？含Intel/AMD方案需求

核心需求 #

需要统计程序执行时的总指令数（包含未完成退休的推测执行指令），已知perf stat --event instructions -- <my_program>仅能统计已退休指令，需寻找对应实现方式，同时希望获取衡量推测执行量的替代指标，针对Intel Skylake架构，也欢迎其他Intel/AMD处理器方案。

Intel Skylake架构的实现方法 #

Linux perf没有直接提供统计所有推测执行指令的标准事件，但可以通过硬件原始性能事件实现：

1. 统计解码阶段的所有指令（含推测执行） #

Skylake的INST_DECODED.ANY事件会统计被前端解码器处理的所有指令，包括后续被丢弃的推测执行指令。使用命令：

perf stat --event cpu/event=0x00,umask=0x00 <my_program>

注：该事件统计的是解码后的指令，可能和实际进入执行流水线的指令有微小差异，但已接近需求的总指令范围。

2. 统计发射到执行单元的微操作（近似总指令量） #

如果需要更贴近执行阶段的统计，可以用UOPS_ISSUED.ANY事件，它会统计所有被发射到执行单元的微操作（包括推测执行的）。对于以简单指令（单微操作）为主的程序，这个数值可以近似总指令数；对于复杂指令，需结合指令拆分比例分析。使用命令：

perf stat --event cpu/event=0x0E,umask=0x01 <my_program>

其他Intel/AMD架构的适配方案 #

Intel其他架构 #

• Ice Lake/Sapphire Rapids：可直接复用Skylake的INST_DECODED.ANY或UOPS_ISSUED.ANY事件，事件编码一致，具体可参考Intel官方《Software Developer Manual》。
• Haswell/Broadwell：使用INST_DECODED.TOTAL（事件编码0x00,umask=0x00）或UOPS_ISSUED.ALL（事件编码0x0E,umask=0x00）实现类似统计。

AMD架构 #

• Zen 2/3/4：使用INST_DECODED事件（编码cpu/event=0x08,umask=0x00）统计解码的所有指令，或UOPS_ISSUED事件（编码cpu/event=0x0C,umask=0x00）统计发射的微操作。具体事件定义可参考AMD《Processor Programming Reference》。

衡量推测执行量的替代指标 #

如果不需要精确统计总指令数，以下指标可间接衡量推测执行的规模与开销：

• 推测丢弃指令数：用「解码/发射指令数 - 已退休指令数」计算，比如INST_DECODED.ANY - INST_RETIRED.ANY，差值即为因分支预测错误、机器清除等原因被丢弃的推测执行指令量。
• 分支预测错误数：直接统计branch-misses事件：

  perf stat --event branch-misses <my_program>
  

  分支预测错误是触发推测执行指令丢弃的最常见原因，该指标可反映推测执行的无效开销。
• 机器清除次数：统计MACHINE_CLEARS相关事件，比如Skylake的MACHINE_CLEARS.MEMORY_ORDERING（编码cpu/event=0x01,umask=0x04），机器清除会一次性丢弃流水线中所有推测执行的指令，可反映内存序违规、SMC指令等导致的大规模推测丢弃。
• 重排序缓冲区（ROB）压力：统计rob.full事件（部分架构支持），ROB满会限制推测执行的深度，间接反映推测执行的活跃程度。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Simple.guy