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x86-64 Linux 上でハードウェアイベントを計測する

Mon, 30 Mar 2026 00:00:00 +0000

はじめに

前回の記事では、perf-counter を使って特定のコード区間のイベントを計測する方法を紹介しました。今回は特に x86-64 Linux 上でキャッシュミスや分岐予測ミスなどのハードウェアイベントを計測する方法を解説します。

ハードウェアイベント計測の概要

CPU は、ハードウェアイベントをカウントするための専用レジスタ PMC（Performance Monitoring Counter）を持っています。一般的な CPU では、コアあたり 4〜12 個程度の PMC が利用可能です¹。

CPU の実行ユニットやキャッシュコントローラなどは、ハードウェアイベントが発生すると PMU（Performance Monitoring Unit）へ信号を送ります。どのイベントをどの PMC で計測するかあらかじめ設定しておくと、PMU は信号を受け取るたびに対応する PMC の値をインクリメントします。

PMU と PMC

Linux 上でハードウェアイベントを計測する手順は、3つのステップから成ります。以降の節では、これらを順に解説します。

計測したいイベントのカウンタを開く
カウンタのメタデータを取得する
カウンタの値を読み出す

計測したいイベントのカウンタを開く

まず perf_event_open でカウンタを開きます。このとき、引数で計測対象のイベントやプロセスなどを指定します。

実行される CPU コアを指定せず、自プロセスのみを計測対象とする場合は、次のように呼び出します。

`1`	`int fd = (int)syscall(SYS_perf_event_open, &attr, 0, -1, group_fd, 0);`

attr は計測するイベントの詳細を与える perf_event_attr 構造体です。例えばサイクル数を計測したければ、次のように設定します。

struct perf_event_attr attr = {0};

attr.size   = sizeof(struct perf_event_attr); // カーネルとのバージョン互換性のための指定
attr.type   = PERF_TYPE_HARDWARE;             // 計測したいイベントの type
attr.config = PERF_COUNT_HW_CPU_CYCLES;       // 計測したいイベントの config

perf-counter ではさらにいくつかフラグを追加しています。

perf-counter で特定のコード区間をプロファイリングする

Fri, 20 Mar 2026 00:00:00 +0000

はじめに

プログラムを速くしたいと思ったとき、最初にやることは性能計測です。改善策を考えて実装したら、再び性能を計測して効果を確かめます。高速化というのは、性能計測で始まり性能計測で終わるのです。

最もシンプルな性能計測方法は、対象の処理の前後にタイマー（C++ であれば std::chrono など）を埋め込む方法で、古典的ながら多くの場合はこれで事足ります。しかし、次のような場合には、タイマー埋め込みだけでは不十分です。

命令数やサイクル数を計測して、理論性能と比較したい
キャッシュヒット率や分岐予測ミスの発生率など、性能改善の手がかりとなる情報を集めたい

Linux であれば、こうした情報は perf コマンドで取得できます。例えば、プログラムのサイクル数、実行命令数、L1 データキャッシュミス数を知りたければ、次のように実行すればよいです。

`1`	`perf stat -e cycles,instructions,L1-dcache-load-misses ./my_program`

しかし、perf stat はプログラム全体の情報を集計するため、特定のコード区間のプロファイリングには向いていません。例えば、次のようなプログラムで compute_kernel() 単体の性能を計測したくても、initialize() の分まで集計されてしまいます。

...
initialize(data, n);     // 前処理

compute_kernel(data, n); // メイン処理
...

そこで作成したのが、プログラム中の特定のコード区間だけを対象にパフォーマンスイベントを計測するライブラリ perf-counter です。

本稿では、perf-counter の基本的な使い方を紹介します。より実践的な使い方や内部実装については、別の記事で扱う予定です。

基本的な使い方

perf-counter で特定のコード区間の性能を計測する流れは、次の4ステップです。

計測したいイベントを指定してカウンタを開く
カウンタを有効化する
対象のコード区間の前後でカウンタの値を読む
カウンタを無効化・解放する

カウンタが有効化されると、イベントが発生するたびに値がインクリメントされます。そのため、あるコード区間の前後でカウンタの値を読んで差し引くと、その間に発生したイベントの回数が求まります。

// 1. サイクル数を計測するカウンタを開く
struct perf_counter pc = perf_counter_open_by_id(
    PERF_TYPE_HARDWARE,       // event_type
    PERF_COUNT_HW_CPU_CYCLES, // event_config
    -1                        // group_fd
);

// 正しく開けたかチェックする
if (!perf_counter_is_valid(&pc)) {
    fprintf(stderr, "Failed to open a cycle counter.\n");
    return 1;
}

// 2. カウンタを有効化する
perf_counter_enable(&pc); // イベントの計測を開始する

// 3. compute_kernel() 呼び出し前後のカウンタの値を読む
uint64_t start = perf_counter_read(&pc);
compute_kernel();
uint64_t end = perf_counter_read(&pc);

// compute_kernel() にかかるサイクル数を出力する
printf("cycles: %lu\n", end - start);

// 4. カウンタを無効化・解放する
perf_counter_disable(&pc); // イベントの計測を終了する
perf_counter_close(&pc);

perf_counter_open_by_id(event_type, event_config, group_fd) の各引数の意味は次の通りです。

Profile

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

TBD