高精度定时器实现

原创
2020/01/31 20:37
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1背景

.NET Framework 提供了四种定时器,然而其精度都不高(一般情况下 15ms 左右),难以满足一些场景下的需求。

在进行媒体播放、绘制动画、性能分析以及和硬件交互时,可能需要 10ms 以下精度的定时器。这里不讨论这种需求是否合理,它是确实存在的问题,也有相当多的地方在讨论,说明这是一个切实的需求。然而,实现它并不是一件轻松的事情。

这里并不涉及内核驱动层面的定时器,只分析在 .NET 托管环境下应用层面的高精度定时器实现。

Windows 不是实时操作系统,所以任何方案都无法绝对保证定时器的精度,只是能尽量减少误差。所以,系统的稳定性不能完全依赖于定时器,必须考虑失去同步时的处理。

2等待策略

想要实现高精度定时器,必然需要等待和计时两种基础功能。等待用来跳过一定时间间隔,计时可以进行时间检查,用以调整等待时间。

等待策略实际就是两种:

  • 自旋等待:让 CPU 空转消耗时间,占用大量 CPU 时间,但是时间高度可控。

  • 阻塞等待:线程进入阻塞状态,出让 CPU 时间片,在等待一定时间后再由操作系统调度回到运行状态。阻塞时不占用 CPU,然而需要操作系统调度,时间难以控制。

可以看到二者各有优劣,应该按照不同需求进行不同的实现。

而计时机制可以说能用的只有一种,就是Stopwatch类。它内部使用了系统 API QueryPerformanceCounter/ QueryPerformanceFrequency来进行高精度计时,依赖于硬件,它的精度可以高达几十纳秒,非常适合用来实现高精度定时器。

所以难点在于等待策略,下面先分析简单的自旋等待。

2.1自旋等待

可以使用Thread.SpinWait(int iteration)来进行自旋,也就是让 CPU 在一个循环里空转,iteration参数是迭代次数。.NET Framework 中不少同步构造都用到了它,用来等待一小段时间,减少上下文切换的开销。

这里很难根据iteration来计算消耗的时间,因为 CPU 速度可能是动态的。所以需要结合使用Stopwatch。伪代码如下:

var 等待开始时间 = 当前计时;while ((当前计时 - 等待开始时间) < 需要等待的时间){
    自旋;}

写成实际代码:

void Spin(Stopwatch w, int duration){
    var current = w.ElapsedMilliseconds;
    while ((w.ElapsedMilliseconds - current) < duration)
        Thread.SpinWait(10);}

这里的w是一个已经启动的Stopwatch,为了演示简单使用了ElapsedMilliseconds属性,精度是毫秒级的,使用ElapsedTicks属性就可以获得更高的精度(微秒级)。

然而如前所述,这样精度高但是是以消耗 CPU 时间为代价的,这样实现定时器会让一个 CPU 核心满负荷工作(如果执行的任务也没有阻塞的话)。相当于浪费了一个核心,在有些时候不太现实(比如核心很少甚至是单核的虚拟机上),所以需要考虑阻塞等待。

2.2阻塞等待

阻塞等待会把控制权交给操作系统,这样就必须确保操作系统能够及时的将定时器线程调度回运行状态。默认情况下,Windows 的系统定时器精度是 15.625ms,也就是说时间切片是这个尺寸。如果线程阻塞,出让其时间片进行等待,再被调度运行的时间至少是一个切片 15.625ms。那么必须减少时间切片的长度,才有可能实现更高的精度。

可以通过系统 API timeBeginPeriod来修改系统定时器精度到 1ms(它内部使用了没有给出文档的NtSetTimerResolution,这个 API 可以修改到 0.5ms)。不需要的时候使用timeEndPeriod还原。

修改系统定时器精度有副作用。它会增加上下文切换的开销,增加耗电量,降低系统整体性能。然而,很多程序都不得不这么做,因为没有其它方式能获得更高的定时器精度。比如基于 WPF 的程序(包括 Visual Studio)、使用 Chromium 内核的应用(Chrome、QQ)、多媒体播放器、游戏等等很多程序都会在一定时间内把系统定时器精度修改到 1ms。(查看方法见后面

所以实际上这个副作用在桌面环境已经成为常态。而且从 Windows 8 开始,这个副作用减弱了。

在 1ms 的系统定时器精度前提下,可以使用三种方式实现阻塞等待:

  • Thread.Sleep

  • WaitHandle.WaitOne

  • Socket.Poll

另外,多媒体定时器timeSetEvent也使用了阻塞的方式。

Thread.Sleep

它的参数使用毫秒单位,所以最多只能精确到 1ms。不过事实上很不稳定,Thread.Sleep(1)会在 1ms 与 2ms 两种状态间跳动,也就是可能会产生 +1ms 多的误差。

实测发现,没有任务负载的情况下(纯粹循环调用Sleep(1)),阻塞时长稳定在 2ms;而有任务负载时,则至少会阻塞 1ms。这和其它两种阻塞方式不同,详见后文。

如果需要修正这个误差,可以在阻塞 n 毫秒时,使用Sleep(n-1),并通过Stopwatch计时,剩余等待时间用Sleep(0)Thread.Yield或自旋来补充。

Sleep(0)会出让剩余的 CPU 时间片给优先级相同的线程,而Thread.Yield是出让剩余的 CPU 时间片给运行在同一核心上的线程。在出让的时间片结束后,其会被重新调度。一般情况下,整个过程可以在 1ms 之内完成。

Thread.Sleep(0)Thread.Yield在 CPU 高负载情况下非常不稳定,实测可能会阻塞高达 6ms 时间,所以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。

WaitHandle.WaitOne

WaitHandle.WaitOneThread.Sleep类似,参数也是毫秒单位。

不同之处是,没有任务负载的情况下(纯粹循环调用WaitOne(1)),阻塞时长稳定在 1.5ms;而有任务负载时,则可能仅阻塞近乎于 0 的时间(猜测是它仅阻塞到当前时间片结束,尚未找到具体的文档说明)。所以它阻塞的时长范围是 0 到 2ms 多。

WaitHandle.WaitOne(0)是用来测试等待句柄状态的,它并不阻塞,所以用它来进行误差修正类似于自旋,但不如直接使用自旋可靠。

Socket.Poll

Socket.Poll方法的参数是以微秒为单位,理论上,它是使用了网卡的硬件来定时,精度很高。然而,由于阻塞的实现仍然要依赖线程,所以它也只能达到 1ms 的精度。

它的优势是比Thread.SleepWaitHandle.WaitOne要更稳定,误差也更小,可以不需要修正,但要占用一个 Socket 端口。

没有任务负载的情况下(纯粹循环调用Poll(1)),阻塞时长稳定在 1ms;而有任务负载时,则和WaitOne类似,可能仅阻塞近乎于 0 的时间。所以它阻塞的时长范围是 0 到 1ms 多。

Socket.Poll(0)是用来测试 Socket 状态的,但它会阻塞,而且可能阻塞高达 6ms,所以不能用它来进行误差修正。

timeSetEvent

timeSetEvent和之前提到的timeBeginPeriod一样属于 winmm.dll 提供的多媒体定时器功能。它可以直接当作定时器使用,也是提供 1ms 的精度。在不需要的时候使用timeKillEvent来关闭。

它的稳定性和精度也很高,如果需要 1ms 的定时,而又不能使用自旋,那么这是最理想的方案。

虽然 MSDN 上说timeSetEvent是个过时的方法,应该用CreateTimerQueueTimer替换。但是CreateTimerQueueTimer精度和稳定性都不如多媒体定时器,所以在需要高精度的时候,只能使用timeSetEvent

3定时器实现

需要注意的是,无论自旋还是阻塞,显然定时器都应该运行在独立的线程,不能干扰使用方线程工作。而对于高精度定时器来说,触发事件以执行任务的线程一般都在定时器线程内,而不是再使用独立的任务线程。

这是因为高精度定时场景下,执行任务的时间开销很可能大于定时器的时间间隔,如果默认就在其它线程执行任务,可能导致占用大量线程。所以应该把控制权交给用户,让用户在需要的时候自行调度任务执行的线程。

3.1触发模式

由于在定时器线程执行任务,所以定时器的触发就产生了三种模式。以下是它们的说明和主循环伪代码:

  • 固定时间框架

  • 比如间隔 10ms,任务 7-12ms,则会按照等待 10ms 、任务 7ms、等待 3ms、任务 12ms(超时 2ms 失去同步)、任务 7ms、等待 1ms(回到同步)、任务 7ms、等待 3ms、… 进行。就是尽量按照设定好的时间框架来执行任务,只要任务不是始终超时,就可以回到原本的时间框架上。

var 下一帧时间 = 0;while(定时器开启){
    下一帧时间 += 间隔时间;
    while (当前计时 < 下一帧时间)
    {
        等待;
    }
    触发任务;}

  • 可推迟时间框架

  • 上面的例子会按照等待 10ms 、任务 7ms、等待 3ms、任务 12ms(超时,推迟时间框架 2ms)、任务 7ms、等待 3ms、… 进行。超时的任务会推迟时间框架。

var 下一帧时间 = 0;while(定时器开启){
    下一帧时间 += 间隔时间;
    if (下一帧时间 < 当前计时)
        下一帧时间 = 当前计时
    while (当前计时 < 下一帧时间)
    {
        等待;
    }
    触发任务;}

  • 固定等待时间

  • 上面的例子会按照等待 10ms、任务 7ms、等待 10ms、任务 12ms、等待 10ms、任务 7ms… 进行。等待时间始终不变。

while(定时器开启){
    var 等待开始时间 = 当前计时;
    while ((当前计时 - 等待开始时间) < 间隔时间)
    {
        等待;
    }
    触发任务;}// 或者:var 下一帧时间 = 0;while(定时器开启){
    下一帧时间 += 间隔时间;
    while (当前计时 < 下一帧时间)
    {
        等待;
    }
    触发任务;
    下一帧时间 = 当前计时;}

如果使用多媒体定时器(timeSetEvent),它固定实现了第一种模式,而其它的等待策略能够实现全部三种模式,可以根据需求选择。

while循环中的等待可以使用自旋或阻塞,也可以结合它们来达到精度、稳定性和 CPU 开销的平衡。

另外,由上面的伪代码可以看出,这三种模式的实现可以统一,能够做到根据情况切换。

3.2线程优先级

最好把线程优先级调高,以保证定时器能够稳定工作,减少被抢占的机会。然而需要注意,这在 CPU 资源不足时可能导致低优先级线程的饥饿。也就是说不能让高优先级线程去等待低优先级线程改变状态,很有可能低优先级线程没有机会运行,导致死锁或类似死锁的状态。(见一种类似的饥饿的例子

线程的最终优先级和进程的优先级有关,所以有时候也需要提高进程优先级(见 C# 中的多线程系列的线程优先级说明)。

4其它

还有两点需要注意:

  1. 线程安全:定时器在独立线程运行,其暴露的成员都应该实现线程安全,否则在定时器运行时调用可能会产生问题。

  2. 及时释放资源:多媒体定时器、等待句柄、线程等等这些都是系统资源,在不需要它们的时候应该及时释放/销毁。

如何查看系统定时器精度?

简单的查看可以使用Sysinternals工具包中的 ClockRes,它会显示如下信息:

Maximum timer interval: 15.625 ms
Minimum timer interval: 0.500 ms
Current timer interval: 15.625 ms

// 或

Maximum timer interval: 15.625 ms
Minimum timer interval: 0.500 ms
Current timer interval: 1.000 ms

如果是想查看哪些程序请求了更高的系统定时器精度,那么运行:

powercfg energy -duration 5

它会监视系统能耗 5s,然后在当前目录生成一个energy-report.html的分析报告,可以打开它查看。

找到里面的警告部分,会有平台计时器分辨率:未完成的计时器请求Platform Timer Resolution:Outstanding Timer Request)信息。


参考:

  1. http://www.codeproject.com/Articles/98346/Microsecond-and-Millisecond-NET-Timer

  2. http://www.codeproject.com/Articles/571289/Obtaining-Microsecond-Precision-in-NET

  3. http://www.pinvoke.net/default.aspx/winmm/timeSetEvent.html

  4. http://www.geisswerks.com/ryan/FAQS/timing.html

  5. http://omeg.pl/blog/2011/11/on-winapi-timers-and-their-resolution/

  6. https://randomascii.wordpress.com/2013/07/08/windows-timer-resolution-megawatts-wasted/

  7. http://www.windowstimestamp.com/description


原文链接: http://blog.gkarch.com/2015/09/high-resolution-timer.html


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