Benchmarking a bunch of continuous nop instructions

I was trying to benchmark instruction cache misses (by generating some functions largely consisting of nops and calling each other) when I noticed something a bit weird which I’ve tried to reproduce. The setup for the benchmark is as follows.

I write functions in assembly (x86-64) of differing sizes; the functions consist of a varying number of nop instructions followed by a ret. I benchmark these functions using google benchmark.

Using google benchmark you can get the times for each function. The functions I tested only differ in the number of nop instructions – the number of instructions going from 2^10 to 2^29 in powers of 2.

Finally, I divide the times measured for each function by the number of instructions in the function and multiply it with my cpu’s frequency, getting a rough cycles/nop count for each function.

This is what the result was – I’ve repeated the process a few times and the graph is always similar to this.

I expected the graph to be a flat line but there is a sudden rise around 2^23. Obviously the processor will optimize the execution (super-scalar, prefetching, etc.) but I see no reason as to why there is a sudden rise when the number of instructions is around 2^23.

So that is what the question is – what is causing that sudden rise in the number of cycles/nop? I’ve not had a chance to run the program on other processors/operating systems. I’m using Ubuntu 22.04 on an 11th gen Intel i5-11400H.

I’ve put the code to run stuff on a github repo so it should be easy enough for anyone to run the setup and get the graph. For the sake of the completeness of the question, the main code used to run the benchmark is as follows:

#include <benchmark/benchmark.h>
#include <x86intrin.h>

extern "C" void fun_1024();
extern "C" void fun_2048();
extern "C" void fun_4096();
extern "C" void fun_8192();
extern "C" void fun_16384();
extern "C" void fun_32768();
extern "C" void fun_65536();
extern "C" void fun_131072();
extern "C" void fun_262144();
extern "C" void fun_524288();
extern "C" void fun_1048576();
extern "C" void fun_2097152();
extern "C" void fun_4194304();
extern "C" void fun_8388608();
extern "C" void fun_16777216();
extern "C" void fun_33554432();
extern "C" void fun_67108864();
extern "C" void fun_134217728();
extern "C" void fun_268435456();
extern "C" void fun_536870912();

static void (*funs[])(void) = {
    fun_1024,
    fun_2048,
    fun_4096,
    fun_8192,
    fun_16384,
    fun_32768,
    fun_65536,
    fun_131072,
    fun_262144,
    fun_524288,
    fun_1048576,
    fun_2097152,
    fun_4194304,
    fun_8388608,
    fun_16777216,
    fun_33554432,
    fun_67108864,
    fun_134217728,
    fun_268435456,
    fun_536870912,

};

void BM(benchmark::State &state) {
        for (auto _ : state) {
                funs[state.range(0)](); 
        }
}

BENCHMARK(BM)->DenseRange(0, 19, 1);

BENCHMARK_MAIN();

where fun_x is simply a function consisting of x-1 nops followed by a ret.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật