.NET中實現(xiàn)高精度定時器的思路

更新時間：2023年12月20日 09:27:33 作者：czwy

一個定時器至少需要考慮三部分功能：計時、等待、觸發(fā)模式。計時是進行時間檢查，調(diào)整等待的時間；等待則是用來跳過指定的時間間隔。觸發(fā)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，本文將討論高精度定時器實現(xiàn)的思路，一起看看吧

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(fā)模式。計時是進行時間檢查，調(diào)整等待的時間；等待則是用來跳過指定的時間間隔。觸發(fā)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(fā)一次定時任務，還是等定時任務執(zhí)行完后等10ms再觸發(fā)下一個定時任務。

計時

Windows提供了可用于獲取高精度時間戳或者測量時間間隔的API。系統(tǒng)原生API是QueryPerformanceCounter (QPC)。在.NET種提供了System.Diagnostics.Stopwatch類獲取高精度時間戳，它內(nèi)部也是通過QueryPerformanceCounter (QPC)進行高精度計時。
QueryPerformanceCounter (QPC)使用硬件計數(shù)器作為其基礎。硬件計時器由三個部分組成：時鐘周期生成器、計數(shù)時鐘周期的計數(shù)器和檢索計數(shù)器值的方法。這三個分量的特征決定了QueryPerformanceCounter (QPC)的分辨率、精度、準確性和穩(wěn)定性[1]。它的精度可以高達幾十納秒，用來實現(xiàn)高精度定時器基本沒什么問題。

等待

等待策略通常有兩種：

自旋：讓CPU空轉等待，一直占用CPU時間。
阻塞：讓線程進入阻塞狀態(tài)，出讓CPU時間片，滿足等待時間后切換回運行狀態(tài)。

自旋等待

自旋等待可以使用Thread.SpinWait(int iteration)來實現(xiàn)，參數(shù)iteration是迭代次數(shù)。由于CPU速度可能是動態(tài)的，所以很難根據(jù)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);
}

由于自旋是以消耗CPU為代價的，上述代碼運行時，CPU處于滿負荷工作狀態(tài)（使用率持續(xù)保持100%左右），因此短暫的等待可以考慮自旋，長時間運行的定時器不太建議使用該方法。

阻塞等待

阻塞等待需要操作系統(tǒng)能夠及時把定時器線程調(diào)度回運行狀態(tài)。默認情況下，Windows的系統(tǒng)的計時器精度為15ms左右。如果是線程阻塞，出讓其時間片進行等待，然后再被調(diào)度運行的時間至少是一個時間切片15ms左右。要通過阻塞實現(xiàn)高精度計時，則需要減少時間切片的長度。Windows系統(tǒng)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調(diào)用timeEndPeriod，并在使用完計時器服務后立即調(diào)用timeEndPeriod。timeEndPeriod和timeEndPeriod必須成對出現(xiàn)。

在Windows 10, version 2004之前，timeEndPeriod會影響全局Windows設置，所有進程都會使用修改后的計時精度。從Windows 10, version 2004開始，只有調(diào)用timeEndPeriod的進程收到影響。
設置更高的精度可以提高等待函數(shù)中超時間隔的準確性。但是，它也可能會降低整體系統(tǒng)性能，因為線程計劃程序更頻繁地切換任務。高精度還可以阻止 CPU 電源管理系統(tǒng)進入節(jié)能模式。設置更高的分辨率不會提高高分辨率性能計數(shù)器的準確性。

通常我們使用Thread.Sleep來掛起線程等待，Sleep的參數(shù)最小為1ms，但實際上很不穩(wěn)定，實測發(fā)現(xiàn)大部分時候穩(wěn)定在阻塞2ms。我們可以采用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(wěn)定，可能會產(chǎn)生更多的誤差。因此誤差修正最好通過自旋方式實現(xiàn)。

還有一種阻塞的方式是多媒體定時器timeSetEvent，也是網(wǎng)上關于高精度定時器提得比較多的一種方式。它是winmm.dll中的函數(shù)，穩(wěn)定性和精度都比較高，能提供1ms的精度。
官方文檔中說timeSetEvent是一個過時的方法，建議使用CreateTimerQueueTimer替代[3]。但CreateTimerQueueTimer的精度和穩(wěn)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(fā)模式

由于定時任務執(zhí)行時間不確定，并且可能耗時超過定時時間間隔，定時器的觸發(fā)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：盡量按照設定的時間來執(zhí)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：也是盡量按照設定的時間執(zhí)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(zhí)行時長，每次任務執(zhí)行結束到下一次任務開始執(zhí)行間的等待時間固定。

假定時間間隔為10ms，任務執(zhí)行的時間在7~11ms之間，下圖中顯示了三種觸發(fā)模式的區(qū)別。

其實還有一種觸發(fā)模式：任務執(zhí)行時長大于時間間隔時，只要時間間隔一到，就執(zhí)行定時任務，多個定時任務并發(fā)執(zhí)行。之所以這里沒有提及這種模式，是因為在高精度定時場景中，執(zhí)行任務的時間開銷很有可能大于定時器的時間間隔，如果開啟新線程執(zhí)行定時任務，可能會占用大量線程，這個需要結合實際情況考慮如何執(zhí)行定時任務。這里討論的是默認在定時器線程上執(zhí)行定時任務。