tools/tools/tscdrift/tscdrift.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 2014 Hudson River Trading LLC
   3  * Written by: John H. Baldwin <jhb@FreeBSD.org>
   4  * All rights reserved.
   5  *
   6  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   7  * modification, are permitted provided that the following conditions
   8  * are met:
   9  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  10  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  11  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  13  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  14  *
  15  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  16  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  17  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  18  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  19  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  20  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  21  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  22  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  23  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  24  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  25  * SUCH DAMAGE.
  26  */
  27
  28 #include <sys/param.h>
  29 #include <sys/cpuset.h>
  30 #include <machine/atomic.h>
  31 #include <machine/cpu.h>
  32 #include <machine/cpufunc.h>
  33 #include <assert.h>
  34 #include <err.h>
  35 #include <errno.h>
  36 #include <math.h>
  37 #include <pthread.h>
  38 #include <stdint.h>
  39 #include <stdlib.h>
  40 #include <stdio.h>
  41
  42 #define barrier()       __asm __volatile("" ::: "memory")
  43
  44 #define TESTS           1024
  45
  46 static volatile int gate;
  47 static volatile uint64_t thread_tsc;
  48
  49 /* Bind the current thread to the specified CPU. */
  50 static void
  51 bind_cpu(int cpu)
  52 {
  53         cpuset_t set;
  54
  55         CPU_ZERO(&set);
  56         CPU_SET(cpu, &set);
  57         if (cpuset_setaffinity(CPU_LEVEL_WHICH, CPU_WHICH_TID, -1, sizeof(set),
  58             &set) < 0)
  59                 err(1, "cpuset_setaffinity(%d)", cpu);
  60 }
  61
  62 static void *
  63 thread_main(void *arg)
  64 {
  65         int cpu, i;
  66
  67         cpu = (intptr_t)arg;
  68         bind_cpu(cpu);
  69         for (i = 0; i < TESTS; i++) {
  70                 gate = 1;
  71                 while (gate == 1)
  72                         cpu_spinwait();
  73                 barrier();
  74
  75                 __asm __volatile("lfence");
  76                 thread_tsc = rdtsc();
  77
  78                 barrier();
  79                 gate = 3;
  80                 while (gate == 3)
  81                         cpu_spinwait();
  82         }
  83         return (NULL);
  84 }
  85
  86 int
  87 main(int ac __unused, char **av __unused)
  88 {
  89         cpuset_t all_cpus;
  90         int64_t **skew, *aveskew, *minskew, *maxskew;
  91         float *stddev;
  92         double sumsq;
  93         pthread_t child;
  94         uint64_t tsc;
  95         int *cpus;
  96         int error, i, j, ncpu;
  97
  98         /*
  99          * Find all the CPUs this program is eligible to run on and use
 100          * this as our global set.  This means you can use cpuset to
 101          * restrict this program to only run on a subset of CPUs.
 102          */
 103         if (cpuset_getaffinity(CPU_LEVEL_WHICH, CPU_WHICH_PID, -1,
 104             sizeof(all_cpus), &all_cpus) < 0)
 105                 err(1, "cpuset_getaffinity");
 106         for (ncpu = 0, i = 0; i < CPU_SETSIZE; i++) {
 107                 if (CPU_ISSET(i, &all_cpus))
 108                         ncpu++;
 109         }
 110         if (ncpu < 2)
 111                 errx(1, "Only one available CPU");
 112         cpus = calloc(ncpu, sizeof(*cpus));
 113         skew = calloc(ncpu, sizeof(*skew));
 114         for (i = 0; i < ncpu; i++)
 115                 skew[i] = calloc(TESTS, sizeof(*skew[i]));
 116         for (i = 0, j = 0; i < CPU_SETSIZE; i++)
 117                 if (CPU_ISSET(i, &all_cpus)) {
 118                         assert(j < ncpu);
 119                         cpus[j] = i;
 120                         j++;
 121                 }
 122
 123         /*
 124          * We bind this thread to the first CPU and then bind all the
 125          * other threads to other CPUs in turn saving TESTS counts of
 126          * skew calculations.
 127          */
 128         bind_cpu(cpus[0]);
 129         for (i = 1; i < ncpu; i++) {
 130                 error = pthread_create(&child, NULL, thread_main,
 131                     (void *)(intptr_t)cpus[i]);
 132                 if (error)
 133                         errc(1, error, "pthread_create");
 134
 135                 for (j = 0; j < TESTS; j++) {
 136                         while (gate != 1)
 137                                 cpu_spinwait();
 138                         gate = 2;
 139                         barrier();
 140
 141                         tsc = rdtsc();
 142
 143                         barrier();
 144                         while (gate != 3)
 145                                 cpu_spinwait();
 146                         gate = 4;
 147
 148                         skew[i][j] = thread_tsc - tsc;
 149                 }
 150
 151                 error = pthread_join(child, NULL);
 152                 if (error)
 153                         errc(1, error, "pthread_join");
 154         }
 155
 156         /*
 157          * Compute average skew for each CPU and output a summary of
 158          * the results.
 159          */
 160         aveskew = calloc(ncpu, sizeof(*aveskew));
 161         minskew = calloc(ncpu, sizeof(*minskew));
 162         maxskew = calloc(ncpu, sizeof(*maxskew));
 163         stddev = calloc(ncpu, sizeof(*stddev));
 164         stddev[0] = 0.0;
 165         for (i = 1; i < ncpu; i++) {
 166                 sumsq = 0;
 167                 minskew[i] = maxskew[i] = skew[i][0];
 168                 for (j = 0; j < TESTS; j++) {
 169                         aveskew[i] += skew[i][j];
 170                         if (skew[i][j] < minskew[i])
 171                                 minskew[i] = skew[i][j];
 172                         if (skew[i][j] > maxskew[i])
 173                                 maxskew[i] = skew[i][j];
 174                         sumsq += (skew[i][j] * skew[i][j]);
 175                 }
 176                 aveskew[i] /= TESTS;
 177                 sumsq /= TESTS;
 178                 sumsq -= aveskew[i] * aveskew[i];
 179                 stddev[i] = sqrt(sumsq);
 180         }
 181
 182         printf("CPU | TSC skew (min/avg/max/stddev)\n");
 183         printf("----+------------------------------\n");
 184         for (i = 0; i < ncpu; i++)
 185                 printf("%3d | %5jd %5jd %5jd   %6.3f\n", cpus[i],
 186                     (intmax_t)minskew[i], (intmax_t)aveskew[i],
 187                     (intmax_t)maxskew[i], stddev[i]);
 188         return (0);
 189 }