.NET中如何实现高精度定时器

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2024-02-19
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.NET中有多少种定时器一文介绍过.NET中至少有6种定时器，但精度都不是特别高，一般在15ms~55ms之间。在一些特殊场景，可能需要高精度的定时器，这就需要我们自己实现了。本文将讨论高精度定时器实现的思路。

高精度定时器

一个定时器至少需要考虑三部分功能：计时、等待、触发模式。计时是进行时间检查，调整等待的时间；等待则是用来跳过指定的时间间隔。触发模式是指定时器每次Tick的时间固定还是每次定时任务时间间隔固定。比如定时器时间间隔10ms，定时任务耗时7ms，是每隔10ms触发一次定时任务，还是等定时任务执行完后等10ms再触发下一个定时任务。

计时

Windows提供了可用于获取高精度时间戳或者测量时间间隔的API。系统原生API是QueryPerformanceCounter (QPC)。在.NET中提供了System.Diagnostics.Stopwatch类获取高精度时间戳，它内部也是通过QueryPerformanceCounter (QPC)进行高精度计时。

QueryPerformanceCounter (QPC)使用硬件计数器作为其基础。硬件计时器由三个部分组成：时钟周期生成器、计数时钟周期的计数器和检索计数器值的方法。这三个分量的特征决定了QueryPerformanceCounter (QPC)的分辨率、精度、准确性和稳定性1。它的精度可以高达几十纳秒，用来实现高精度定时器基本没什么问题。

等待

等待策略通常有两种：

  • 自旋：让CPU空转等待，一直占用CPU时间。
  • 阻塞：让线程进入阻塞状态，出让CPU时间片，满足等待时间后切换回运行状态。
自旋等待

自旋等待可以使用Thread.SpinWait(int iteration)来实现，参数iteration是迭代次数。由于CPU速度可能是动态的，所以很难根据iteration计算消耗的时间，最好是结合Stopwatch使用:

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

由于自旋是以消耗CPU为代价的，上述代码运行时，CPU处于满负荷工作状态（使用率持续保持100%左右），因此短暂的等待可以考虑自旋，长时间运行的定时器不太建议使用该方法。

阻塞等待

阻塞等待需要操作系统能够及时把定时器线程调度回运行状态。默认情况下，Windows的系统的计时器精度为15ms左右。如果是线程阻塞，出让其时间片进行等待，然后再被调度运行的时间至少是一个时间切片15ms左右。要通过阻塞实现高精度计时，则需要减少时间切片的长度。Windows系统API提供了timeEndPeriod可以把计时器精度修改到1ms，在使用计时器服务之前立即调用timeEndPeriod，并在使用完计时器服务后立即调用timeEndPeriod。timeEndPeriod和timeEndPeriod必须成对出现。

在Windows 10, version 2004之前，timeEndPeriod会影响全局Windows设置，所有进程都会使用修改后的计时精度。从Windows 10, version 2004开始，只有调用timeEndPeriod的进程受到影响。 设置更高的精度可以提高等待函数中超时间隔的准确性。 但是，它也可能会降低整体系统性能，因为线程计划程序更频繁地切换任务。 高精度还可以阻止 CPU 电源管理系统进入节能模式。 设置更高的分辨率不会提高高分辨率性能计数器的准确性。2

通常我们使用Thread.Sleep来挂起线程等待，Sleep的参数最小为1ms，但实际上很不稳定，实测发现大部分时候稳定在阻塞2ms。我们可以采用Sleep(0)或者Thread.Yield结合Stopwatch计时的方式修正。

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 高负载情况下非常不稳定，可能会产生更多的误差。因此误差修正最好通过自旋方式实现。

还有一种阻塞的方式是多媒体定时器timeSetEvent，也是网上关于高精度定时器提得比较多的一种方式。它是winmm.dll中的函数，稳定性和精度都比较高，能提供1ms的精度。

官方文档中说timeSetEvent是一个过时的方法，建议使用CreateTimerQueueTimer替代3。但CreateTimerQueueTimer的精度和稳定性都不如多媒体定时器，所以在需要高精度定时器时，还是要用timeSetEvent。以下是封装多媒体定时器的例子

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();
    }
}

触发模式

由于定时任务执行时间不确定，并且可能耗时超过定时时间间隔，定时器的触发可能会有三种模式：固定时间框架，可推迟时间框架，固定等待时间。

  • 固定时间框架：尽量按照设定的时间来执行任务，只要任务不是始终超时，就可以回到原来的时间框架上
  • 可推迟时间框架：也是尽量按照设定的时间执行任务，但是超时的任务会推迟时间框架。
  • 固定等待时间：不管任务执行时长，每次任务执行结束到下一次任务开始执行间的等待时间固定。

假定时间间隔为10ms，任务执行的时间在7~11ms之间，下图中显示了三种触发模式的区别。

其实还有一种触发模式：任务执行时长大于时间间隔时，只要时间间隔一到，就执行定时任务，多个定时任务并发执行。之所以这里没有提及这种模式，是因为在高精度定时场景中，执行任务的时间开销很有可能大于定时器的时间间隔，如果开启新线程执行定时任务，可能会占用大量线程，这个需要结合实际情况考虑如何执行定时任务。这里讨论的是默认在定时器线程上执行定时任务。
  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(https://learn.microsoft.com/en-us/previous-versions//dd757634(v=vs.85%29?redirectedfrom=MSDN) ↩︎
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