经验首页 前端设计 程序设计 Java相关 移动开发 数据库/运维 软件/图像 大数据/云计算 其他经验
当前位置：技术经验 » 程序设计 » ASP.net » 查看文章
.NET中如何实现高精度定时器
来源：cnblogs　　作者：czwy　　时间：2023/12/21 9:05:05　　对本文有异议

.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:

  1. void Spin(Stopwatch w, int duration)
  2. {
  3.     var current = w.ElapsedMilliseconds;
  4.     while ((w.ElapsedMilliseconds - current) < duration)
  5.         Thread.SpinWait(5);
  6. }

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。

  1. void wait(Stopwatch w, int duration)
  2. {
  3.     var current = w.ElapsedMilliseconds;
  4.     while ((w.ElapsedMilliseconds - current) < duration)
  5.         Thread.Sleep(0);
  6. }

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

  1. public enum TimerError
  2. {
  3.     MMSYSERR_NOERROR = 0,
  4.     MMSYSERR_ERROR = 1,
  5.     MMSYSERR_INVALPARAM = 11,
  6.     MMSYSERR_NOCANDO = 97,
  7. }
  9. public enum RepeateType
  10. {
  11.     TIME_ONESHOT=0x0000,
  12.     TIME_PERIODIC = 0x0001
  13. }
  15. public enum CallbackType
  16. {
  17.     TIME_CALLBACK_FUNCTION = 0x0000,
  18.     TIME_CALLBACK_EVENT_SET = 0x0010,
  19.     TIME_CALLBACK_EVENT_PULSE = 0x0020,
  20.     TIME_KILL_SYNCHRONOUS = 0x0100
  21. }
  23. public class HighPrecisionTimer
  24. {
  25.     private delegate void TimerCallback(int id, int msg, int user, int param1, int param2);
  27.     [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeGetDevCaps")]
  28.     private static extern TimerError TimeGetDevCaps(ref TimerCaps ptc, int cbtc);
  30.     [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeSetEvent")]
  31.     private static extern int TimeSetEvent(int delay, int resolution, TimerCallback callback, int user, int eventType);
  33.     [DllImport("winmm.dll", EntryPoint = "timeKillEvent")]
  34.     private static extern TimerError TimeKillEvent(int id);
  36.     private static TimerCaps _caps;
  37.     private int _interval;
  38.     private int _resolution;
  39.     private TimerCallback _callback;
  40.     private int _id;
  42.     static HighPrecisionTimer()
  43.     {
  44.         TimeGetDevCaps(ref _caps, Marshal.SizeOf(_caps));
  45.     }
  47.     public HighPrecisionTimer()
  48.     {
  49.         Running = false;
  50.         _interval = _caps.periodMin;
  51.         _resolution = _caps.periodMin;
  52.         _callback = new TimerCallback(TimerEventCallback);
  53.     }
  55.     ~HighPrecisionTimer()
  56.     {
  57.         TimeKillEvent(_id);
  58.     }
  60.     public int Interval
  61.     {
  62.         get { return _interval; }
  63.         set
  64.         {
  65.             if (value < _caps.periodMin || value > _caps.periodMax)
  66.                 throw new Exception("invalid Interval");
  67.             _interval = value;
  68.         }
  69.     }
  71.     public bool Running { get; private set; }
  73.     public event Action Ticked;
  75.     public void Start()
  76.     {
  77.         if (!Running)
  78.         {
  79.             _id = TimeSetEvent(_interval, _resolution, _callback, 0,
  80.                 (int)RepeateType.TIME_PERIODIC | (int)CallbackType.TIME_KILL_SYNCHRONOUS);
  81.             if (_id == 0) throw new Exception("failed to start Timer");
  82.             Running = true;
  83.         }
  84.     }
  86.     public void Stop()
  87.     {
  88.         if (Running)
  89.         {
  90.             TimeKillEvent(_id);
  91.             Running = false;
  92.         }
  93.     }
  95.     private void TimerEventCallback(int id, int msg, int user, int param1, int param2)
  96.     {
  97.         Ticked?.Invoke();
  98.     }
  99. }

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。
image

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 ??

原文链接：https://www.cnblogs.com/czwy/p/17915333.html

 友情链接：直通硅谷 　点职佳 　北美留学生论坛

ASP.net热门文章

  • 【Dotnet 工具箱】WPF UI - 现代化设计的开源 WPF 框架
  • net core 使用 SqlSugar
  • .NETCore下CI/CD之自动化测试
  • .net core部署到linux可能碰到的问题
  • Abp vNext 自定义 Ef Core 仓储引发异常
  • .NetCore 消息队列的使用
  • .NetCore WebApi——基于JWT的简单身份认证与授权（Swagger）
  • Abp.NHibernate连接PostgreSQl数据库
  • ModelValidator基于元数据的验证
  • .NET MAUI 安卓应用开发初体验

    • ASP.net推荐文章

  • Gradio.NET 支持 .NET 8 简化 Web 应用开发
  • .NET 轻量化定时任务调度 FreeScheduler
  • WPF 模仿前端大佬写一个Hover效果
  • WPF 模拟UWP原生窗口样式——亚克力|云母材质、自定义标题栏样式、原生DWM动画 （附我封装好的类）
  • .NET 音频采集
  • .NET8 Blazor 从入门到精通：（三）类库和表单
  • wpf 如何7步写一个badge控件
  • .NET 高效Nuget管理工具（开源）
  • .NET 8 跨平台高性能边缘采集网关
  • .NET 窗口/屏幕录制

    • 本站QQ群：前端 618073944 | Java 606181507 | Python 626812652 | C/C++ 612253063 | 微信 634508462 | 苹果 692586424 | C#/.net 182808419 | PHP 305140648 | 运维 608723728

    W3xue 的所有内容仅供测试，对任何法律问题及风险不承担任何责任。通过使用本站内容随之而来的风险与本站无关。
    关于我们  |  意见建议  |  捐助我们  |  报错有奖  |  广告合作、友情链接（目前9元/月）请联系QQ：27243702 沸活量
    皖ICP备17017327号-2　皖公网安备34020702000426号