.NET中如何實現高精度定時器

czwy發表於2023-12-20
定時器

.NET中有多少種定時器一文介紹過.NET中至少有6種定時器，但精度都不是特別高，一般在15ms~55ms之間。在一些特殊場景，可能需要高精度的定時器，這就需要我們自己實現了。本文將討論高精度定時器實現的思路。

高精度定時器

一個定時器至少需要考慮三部分功能：計時、等待、觸發模式。計時是進行時間檢查，調整等待的時間；等待則是用來跳過指定的時間間隔。觸發模式是指定時器每次Tick的時間固定還是每次定時任務時間間隔固定。比如定時器時間間隔10ms，定時任務耗時7ms，是每隔10ms觸發一次定時任務，還是等定時任務執行完後等10ms再觸發下一個定時任務。

計時

Windows提供了可用於獲取高精度時間戳或者測量時間間隔的API。系統原生API是QueryPerformanceCounter (QPC)。在.NET中提供了System.Diagnostics.Stopwatch類獲取高精度時間戳，它內部也是透過QueryPerformanceCounter (QPC)進行高精度計時。
QueryPerformanceCounter (QPC)使用硬體計數器作為其基礎。硬體計時器由三個部分組成：時鐘週期生成器、計數時鐘週期的計數器和檢索計數器值的方法。這三個分量的特徵決定了QueryPerformanceCounter (QPC)的解析度、精度、準確性和穩定性[1]。它的精度可以高達幾十納秒，用來實現高精度定時器基本沒什麼問題。

等待

等待策略通常有兩種：

  • 自旋：讓CPU空轉等待，一直佔用CPU時間。
  • 阻塞：讓執行緒進入阻塞狀態，出讓CPU時間片，滿足等待時間後切換回執行狀態。

自旋等待

自旋等待可以使用Thread.SpinWait(int iteration)來實現，引數iteration是迭代次數。由於CPU速度可能是動態的，所以很難根據iteration計算消耗的時間，最好是結合Stopwatch使用:

void Spin(Stopwatch w, int duration)
{
    var current = w.ElapsedMilliseconds;
    while ((w.ElapsedMilliseconds - current) < duration)
        Thread.SpinWait(5);
}

由於自旋是以消耗CPU為代價的，上述程式碼執行時，CPU處於滿負荷工作狀態（使用率持續保持100%左右），因此短暫的等待可以考慮自旋，長時間執行的定時器不太建議使用該方法。

阻塞等待

阻塞等待需要作業系統能夠及時把定時器執行緒排程回執行狀態。預設情況下，Windows的系統的計時器精度為15ms左右。如果是執行緒阻塞，出讓其時間片進行等待，然後再被排程執行的時間至少是一個時間切片15ms左右。要透過阻塞實現高精度計時，則需要減少時間切片的長度。Windows系統API提供了timeEndPeriod可以把計時器精度修改到1ms，在使用計時器服務之前立即呼叫timeEndPeriod，並在使用完計時器服務後立即呼叫timeEndPeriod。timeEndPeriod和timeEndPeriod必須成對出現。

在Windows 10, version 2004之前，timeEndPeriod會影響全域性Windows設定，所有程式都會使用修改後的計時精度。從Windows 10, version 2004開始，只有呼叫timeEndPeriod的程式收到影響。
設定更高的精度可以提高等待函式中超時間隔的準確性。 但是，它也可能會降低整體系統效能，因為執行緒計劃程式更頻繁地切換任務。 高精度還可以阻止 CPU 電源管理系統進入節能模式。 設定更高的解析度不會提高高解析度效能計數器的準確性。[2]

通常我們使用Thread.Sleep來掛起執行緒等待，Sleep的引數最小為1ms，但實際上很不穩定，實測發現大部分時候穩定在阻塞2ms。我們可以採用Sleep(0)或者Thread.Yield結合Stopwatch計時的方式修正。

void wait(Stopwatch w, int duration)
{
    var current = w.ElapsedMilliseconds;
    while ((w.ElapsedMilliseconds - current) < duration)
        Thread.Sleep(0);
}

Thread.Sleep(0)和Thread.Yield在 CPU 高負載情況下非常不穩定，可能會產生更多的誤差。因此誤差修正最好透過自旋方式實現。

還有一種阻塞的方式是多媒體定時器timeSetEvent，也是網上關於高精度定時器提得比較多的一種方式。它是winmm.dll中的函式，穩定性和精度都比較高，能提供1ms的精度。
官方文件中說timeSetEvent是一個過時的方法，建議使用CreateTimerQueueTimer替代[3]。但CreateTimerQueueTimer的精度和穩定性都不如多媒體定時器，所以在需要高精度定時器時，還是要用timeSetEvent。以下是封裝多媒體定時器的例子

public enum TimerError
{
    MMSYSERR_NOERROR = 0,
    MMSYSERR_ERROR = 1,
    MMSYSERR_INVALPARAM = 11,
    MMSYSERR_NOCANDO = 97,
}

public enum RepeateType
{
    TIME_ONESHOT=0x0000,
    TIME_PERIODIC = 0x0001
}

public enum CallbackType
{
    TIME_CALLBACK_FUNCTION = 0x0000,
    TIME_CALLBACK_EVENT_SET = 0x0010,
    TIME_CALLBACK_EVENT_PULSE = 0x0020,
    TIME_KILL_SYNCHRONOUS = 0x0100
}

public class HighPrecisionTimer
{
    private delegate void TimerCallback(int id, int msg, int user, int param1, int param2);

    [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeGetDevCaps")]
    private static extern TimerError TimeGetDevCaps(ref TimerCaps ptc, int cbtc);

    [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeSetEvent")]
    private static extern int TimeSetEvent(int delay, int resolution, TimerCallback callback, int user, int eventType);

    [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeKillEvent")]
    private static extern TimerError TimeKillEvent(int id);

    private static TimerCaps _caps;
    private int _interval;
    private int _resolution;
    private TimerCallback _callback;
    private int _id;

    static HighPrecisionTimer()
    {
        TimeGetDevCaps(ref _caps, Marshal.SizeOf(_caps));
    }

    public HighPrecisionTimer()
    {
        Running = false;
        _interval = _caps.periodMin;
        _resolution = _caps.periodMin;
        _callback = new TimerCallback(TimerEventCallback);
    }

    ~HighPrecisionTimer()
    {
        TimeKillEvent(_id);
    }

    public int Interval
    {
        get { return _interval; }
        set
        {
            if (value < _caps.periodMin || value > _caps.periodMax)
                throw new Exception("invalid Interval");
            _interval = value;
        }
    }

    public bool Running { get; private set; }

    public event Action Ticked;

    public void Start()
    {
        if (!Running)
        {
            _id = TimeSetEvent(_interval, _resolution, _callback, 0,
                (int)RepeateType.TIME_PERIODIC | (int)CallbackType.TIME_KILL_SYNCHRONOUS);
            if (_id == 0) throw new Exception("failed to start Timer");
            Running = true;
        }
    }

    public void Stop()
    {
        if (Running)
        {
            TimeKillEvent(_id);
            Running = false;
        }
    }

    private void TimerEventCallback(int id, int msg, int user, int param1, int param2)
    {
        Ticked?.Invoke();
    }
}

觸發模式

由於定時任務執行時間不確定，並且可能耗時超過定時時間間隔，定時器的觸發可能會有三種模式：固定時間框架，可推遲時間框架，固定等待時間。

  • 固定時間框架：儘量按照設定的時間來執行任務，只要任務不是始終超時，就可以回到原來的時間框架上
  • 可推遲時間框架：也是儘量按照設定的時間執行任務，但是超時的任務會推遲時間框架。
  • 固定等待時間：不管任務執行時長，每次任務執行結束到下一次任務開始執行間的等待時間固定。

假定時間間隔為10ms，任務執行的時間在7~11ms之間，下圖中顯示了三種觸發模式的區別。
image

其實還有一種觸發模式：任務執行時長大於時間間隔時，只要時間間隔一到，就執行定時任務，多個定時任務併發執行。之所以這裡沒有提及這種模式，是因為在高精度定時場景中，執行任務的時間開銷很有可能大於定時器的時間間隔，如果開啟新執行緒執行定時任務，可能會佔用大量執行緒，這個需要結合實際情況考慮如何執行定時任務。這裡討論的是預設在定時器執行緒上執行定時任務。

  1. https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/sysinfo/acquiring-high-resolution-time-stamps#low-level-hardware-clock-characteristics ↩︎

  2. https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/timeapi/nf-timeapi-timebeginperiod?redirectedfrom=MSDN ↩︎

  3. https://learn.microsoft.com/en-us/previous-versions//dd757634(v=vs.85)?redirectedfrom=MSDN ↩︎

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