为什么 ls 的这些指令数相差如此之大？（ptrace 对比 perf 对比 qemu）

Question

我想统计运行/bin/ls时执行的指令总数。我使用了 3 种方法，它们的结果差异很大，我不知道为什么。

1.使用 ptrace

进行指令计数

我写了一段代码调用 ls 的实例并使用 ptrace 单步执行：

#include <stdio.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/reg.h>    
#include <sys/syscall.h>

int main()
{   
    pid_t child;
    child = fork(); //create child
    
    if(child == 0) {
        ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
        char* child_argv[] = {"/bin/ls", NULL};
        execv("/bin/ls", child_argv);
    }
    else {
        int status;
        long long ins_count = 0;
        while(1)
        {
            //stop tracing if child terminated successfully
            wait(&status);
            if(WIFEXITED(status))
                break;

                ins_count++;
                ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, child, NULL, NULL);
        }

    printf("\n%lld Instructions executed.\n", ins_count);

    }
    
    return 0;
}

运行这段代码让我执行了 516.678 条指令。

2。 QEMU 单步执行

我在单步模式下使用 qemu 模拟 ls，并使用以下命令将所有传入指令记录到日志文件中： qemu-x86_64 -singlestep -D logfile -d in_asm /bin/ls

根据 qemu ls 执行了 16.836 条指令。

3。性能

sudo perf stat ls

这个命令让我执行了 8.162.180 条指令。

我知道这些指令中的大部分来自动态链接器，它们被计算在内很好。但为什么这些数字相差如此之大？他们不应该都一样吗？

Answer 1

为什么这些指令数相差如此之大？因为他们衡量的东西真的不一样，只是衡量的单位是一样的。就好像你在称你从商店买来的东西，一个人称所有东西都没有包装，连标签都没有，另一个人在包装中称，连购物袋都包括在内，还有一个人还把你带进的泥加进去房子在你的靴子上。

这几乎就是这里发生的事情：指令计数不仅仅是 ls 二进制文件中的指令计数，还可以包括它使用的库、内核加载程序所需的服务引入这些库，最后在进程中但在内核上下文中执行代码。您使用的方法在这方面的表现各不相同。所以问题是：您需要从该测量中得到什么？如果您需要“总的努力”，那么最大的数字肯定是您想要的：这将包括一些由内核引起的开销。如果你需要“我只想知道ls发生了什么”，那么最小的就是你要的那个

Answer 2

你用qemu计算指令数的方法是错误的，in_asm选项只显示编译块中的翻译指令，所以在qemu中tb链接过程后，它会直接跳转到翻译块，导致qemu 中的计数少于其他工具，因此实践中的一个好方法是 -d nochain,exec 和 -singlestep 选项。

不过，这些工具之间也存在指令编号差异，我已经尝试在不同的目录中使用 qemu 运行来生成这些日志，qemu 来宾程序是静态链接的，日志文件在计数时显示不同的结果指令号，可能是一些 glibc 启动或 init 的东西涉及到环境参数导致这种差异。

Answer 3

您使用 PTRACE_SINGLESTEP 的程序应该计算进程中执行的所有 user-space 指令。 syscall 指令算作一个，因为你不能 single-step 进入内核；这对 ptrace 是不透明的。

这应该与计算 user-space 条指令的 perf stat --all-user 或 perf stat -e instructions:u 非常相似。（可能在数以百万计的几条指令中算出相同的数）。该 perf 选项或 :u 事件修饰符告诉它对硬件性能计数器进行编程以仅在 CPU 不处于特权级别 0（内核模式）时对事件进行计数；现代 x86 CPUs 对此有硬件支持，因此 perf 不必在内核中运行指令在每次转换时停止和重新启动计数器。

这两者都包括 user-space 中发生的所有事情，包括 ld-linux.so 动态链接器代码运行s 在执行前到达 _start 动态可执行文件。

另请参阅 How do I determine the number of x86 machine instructions executed in a C program?，其中包括 hand-written 静态可执行文件的 asm 源代码，在 user-space 中只有运行s 2 条指令。 perf stat --all-user 在我的 Skylake 上计算了 3 条指令。该问答还有很多关于 user-space 过程中发生的事情的其他讨论，以及希望有用的链接。

Qemu 计数完全不同，因为它进行动态翻译。请参阅 and Peter Maydell 在此处对 Kuba 的回答的评论中链接。

如果您想使用这样的工具，您可能需要使用英特尔 PIN 动态检测的英特尔 SDE。它可以为您绘制指令类型直方图，以及计算总数。请参阅我在 How do I determine the number of x86 machine instructions executed in a C program? 上的回答以获取链接。

为什么 ls 的这些指令数相差如此之大？ （ptrace 对比 perf 对比 qemu）

Why do these instruction counts of ls differ so much? (ptrace vs perf vs qemu)

c

linux

qemu

perf

ptrace

为什么 ls 的这些指令数相差如此之大？（ptrace 对比 perf 对比 qemu）