[C/C++] C++에서 CPU 사이클 카운트 측정: __rdtsc와 플랫폼별 구현법

C++에서 CPU 사이클 카운트 측정: __rdtsc와 플랫폼별 구현법

1. 문제 정의

CPU 사이클 카운트는 성능 측정 및 미세한 코드 최적화에 유용합니다. C++에서 이를 구현하려면 __rdtsc 인트린직 함수나 어셈블리를 활용해야 하며, 플랫폼별 차이를 이해해야 정확한 코드를 작성할 수 있습니다. 이번 글에서는 Windows와 Linux에서 CPU 사이클을 읽는 방법을 설명합니다.

---

2. rdtsc 명령어란?

rdtsc(Read Time-Stamp Counter)는 CPU 클럭 사이클을 읽는 x86 명령어입니다. 이 명령은 고속으로 실행되며, CPU의 클럭 주기에 따라 증가하는 값을 반환합니다. 일반적으로 성능 측정 및 벤치마킹에서 사용됩니다.

 

3. Windows에서 __rdtsc 사용하기

Windows 환경에서는 <intrin.h> 헤더를 통해 __rdtsc를 바로 사용할 수 있습니다. 이는 어셈블리 코드를 작성하지 않고 CPU 사이클 카운트를 읽는 가장 간단한 방법입니다.

코드 예제:

#include <iostream>
#include <intrin.h> // MSVC 전용 헤더

uint64_t readTSC() {
    return __rdtsc(); // CPU 사이클 카운트 반환
}

int main() {
    uint64_t start = readTSC(); // 시작 시간
    // 측정할 코드
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i);
    uint64_t end = readTSC(); // 종료 시간

    std::cout << "Elapsed cycles: " << end - start << std::endl;
    return 0;
}

출력 예시:

Elapsed cycles: 12345678

특징:

• 장점: 간단하고 사용이 쉬움.
• 단점: MSVC 전용이며, GCC/Clang에서는 사용 불가.

---

4. Linux에서 rdtsc 사용하기

Linux에서는 어셈블리 코드를 활용하여 rdtsc 명령어를 사용할 수 있습니다. GNU 확장 어셈블리를 사용해 구현합니다.

코드 예제:

#include <iostream>
#include <stdint.h>

uint64_t readTSC() {
    unsigned int lo, hi;
    __asm__ __volatile__ (
        "rdtsc"              // rdtsc 명령어 실행
        : "=a" (lo), "=d" (hi) // EAX와 EDX에 결과 저장
    );
    return ((uint64_t)hi << 32) | lo; // 64비트 값 반환
}

int main() {
    uint64_t start = readTSC(); // 시작 시간
    // 측정할 코드
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i);
    uint64_t end = readTSC(); // 종료 시간

    std::cout << "Elapsed cycles: " << end - start << std::endl;
    return 0;
}

출력 예시:

Elapsed cycles: 12345678

특징:

• 장점: 어셈블리를 통해 CPU의 모든 기능을 활용 가능.
• 단점: 플랫폼 종속적이며, 코드 작성이 복잡.

---

5. 플랫폼 독립적 코드 작성하기

플랫폼에 따라 <intrin.h>와 <x86intrin.h>를 조건부로 포함하여 코드의 이식성을 높일 수 있습니다.

코드 예제:

#include <iostream>
#include <stdint.h>

#ifdef _WIN32
    #include <intrin.h>
    uint64_t readTSC() {
        return __rdtsc();
    }
#else
    #include <x86intrin.h>
    uint64_t readTSC() {
        unsigned int lo, hi;
        __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
        return ((uint64_t)hi << 32) | lo;
    }
#endif

int main() {
    uint64_t start = readTSC();
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i);
    uint64_t end = readTSC();

    std::cout << "Elapsed cycles: " << end - start << std::endl;
    return 0;
}

특징:

• Windows와 Linux에서 동일한 코드로 실행 가능.
• 조건부 컴파일로 이식성을 보장.

---

6. 주의사항

1. CPU 주파수 변화: rdtsc는 CPU의 주파수 변화나 전력 관리 상태의 영향을 받을 수 있습니다. 안정적인 결과를 위해 고정된 클럭 상태에서 테스트하세요.
2. 멀티코어 환경: TSC 값은 CPU 코어 간에 동기화되지 않을 수 있습니다. 따라서 특정 코어에서만 실행되도록 고정하는 것이 좋습니다.
3. 정확도 보장: lfence 명령어를 사용하여 명령어 순서를 보장할 수 있습니다.

---

7. 결론

• Windows에서는 __rdtsc 인트린직을 사용하여 간단히 CPU 사이클을 읽을 수 있습니다.
• Linux에서는 GNU 어셈블리를 사용해 동일한 작업을 수행할 수 있습니다.
• 플랫폼 독립적인 코드를 작성하려면 조건부 컴파일을 활용하세요.

CPU 사이클 카운트는 코드 성능을 세밀히 분석할 때 유용하며, 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 위해 환경 설정과 주의사항을 반드시 고려해야 합니다.