C#中自定義高精度Timer定時器的實例教程

2020-01-24 01:10:55

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

1、背景

在C#里關于定時器的類就有3個：
（1）定義在System.Windows.Forms里
（2）定義在System.Threading.Timer類里
（3）定義在System.Timers.Timer類里

Timer 用于以用戶定義的事件間隔觸發事件。Windows 計時器是為單線程環境設計的，其中，UI 線程用于執行處理。它要求用戶代碼有一個可用的 UI 消息泵，而且總是在同一個線程中操作，或者將調用封送到另一個線程。

使用此計時器時，請使用控件的Tick事件執行輪詢操作，或在指定的時間內顯示啟動畫面。每當 Enabled 屬性設置為true且Interval屬性大于0時，將引發Tick事件，引發的時間間隔基于Interval屬性設置。
System.Windows.Forms.Timer是應用于WinForm中的，他是通過Windows消息機制實現的，類似于VB或Delphi中的Timer控件，內部使用API SetTimer實現的。他的主要缺點是計時不精確，而且必須有消息循環，Console Application(控制臺應用程式)無法使用。
System.Timers.Timer和System.Threading.Timer很類似，他們是通過.NET Thread Pool實現的，輕量，對應用程式、消息沒有特別的需要。System.Timers.Timer還能夠應用于WinForm，完全取代上面的Timer控件。

然而其精度都不高（一般情況下 15ms 左右），難以滿足一些場景下的需求。

在進行媒體播放、繪制動畫、性能分析以及和硬件交互時，可能需要 10ms 以下精度的定時器。這里不討論這種需求是否合理，它是確實存在的問題，也有相當多的地方在討論，說明這是一個切實的需求。然而，實現它并不是一件輕松的事情。

這里并不涉及內核驅動層面的定時器，只分析在 .NET 托管環境下應用層面的高精度定時器實現。

Windows 不是實時操作系統，所以任何方案都無法絕對保證定時器的精度，只是能盡量減少誤差。所以，系統的穩定性不能完全依賴于定時器，必須考慮失去同步時的處理。

2、等待策略

想要實現高精度定時器，必然需要等待和計時兩種基礎功能。等待用來跳過一定時間間隔，計時可以進行時間檢查，用以調整等待時間。

等待策略實際就是兩種：

自旋等待：讓 CPU 空轉消耗時間，占用大量 CPU 時間，但是時間高度可控。
阻塞等待：線程進入阻塞狀態，出讓 CPU 時間片，在等待一定時間后再由操作系統調度回到運行狀態。阻塞時不占用 CPU，然而需要操作系統調度，時間難以控制。
可以看到二者各有優劣，應該按照不同需求進行不同的實現。

而計時機制可以說能用的只有一種，就是Stopwatch類。它內部使用了系統 API QueryPerformanceCounter/ QueryPerformanceFrequency來進行高精度計時，依賴于硬件，它的精度可以高達幾十納秒，非常適合用來實現高精度定時器。

所以難點在于等待策略，下面先分析簡單的自旋等待。

2.1自旋等待

可以使用Thread.SpinWait(int iteration)來進行自旋，也就是讓 CPU 在一個循環里空轉，iteration參數是迭代次數。.NET Framework 中不少同步構造都用到了它，用來等待一小段時間，減少上下文切換的開銷。

這里很難根據iteration來計算消耗的時間，因為 CPU 速度可能是動態的。所以需要結合使用Stopwatch。偽代碼如下：

var 等待開始時間 = 當前計時;while ((當前計時 - 等待開始時間) < 需要等待的時間){  自旋;}

寫成實際代碼：

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

這里的w是一個已經啟動的Stopwatch，為了演示簡單使用了ElapsedMilliseconds屬性，精度是毫秒級的，使用ElapsedTicks屬性就可以獲得更高的精度（微秒級）。

然而如前所述，這樣精度高但是是以消耗 CPU 時間為代價的，這樣實現定時器會讓一個 CPU 核心滿負荷工作（如果執行的任務也沒有阻塞的話）。相當于浪費了一個核心，在有些時候不太現實（比如核心很少甚至是單核的虛擬機上），所以需要考慮阻塞等待。

2.2阻塞等待

阻塞等待會把控制權交給操作系統，這樣就必須確保操作系統能夠及時的將定時器線程調度回運行狀態。默認情況下，Windows 的系統定時器精度是 15.625ms，也就是說時間切片是這個尺寸。如果線程阻塞，出讓其時間片進行等待，再被調度運行的時間至少是一個切片 15.625ms。那么必須減少時間切片的長度，才有可能實現更高的精度。

可以通過系統 API timeBeginPeriod來修改系統定時器精度到 1ms（它內部使用了沒有給出文檔的NtSetTimerResolution，這個 API 可以修改到 0.5ms）。不需要的時候使用timeEndPeriod還原。

修改系統定時器精度有副作用。它會增加上下文切換的開銷，增加耗電量，降低系統整體性能。然而，很多程序都不得不這么做，因為沒有其它方式能獲得更高的定時器精度。比如基于 WPF 的程序（包括 Visual Studio）、使用 Chromium 內核的應用（Chrome、QQ）、多媒體播放器、游戲等等很多程序都會在一定時間內把系統定時器精度修改到 1ms。（查看方法見后面）

所以實際上這個副作用在桌面環境已經成為常態。而且從 Windows 8 開始，這個副作用減弱了。

在 1ms 的系統定時器精度前提下，可以使用三種方式實現阻塞等待：

（1）Thread.Sleep
（2）WaitHandle.WaitOne
（3）Socket.Poll
另外，多媒體定時器timeSetEvent也使用了阻塞的方式。

（1）Thread.Sleep

它的參數使用毫秒單位，所以最多只能精確到 1ms。不過事實上很不穩定，Thread.Sleep(1)會在 1ms 與 2ms 兩種狀態間跳動，也就是可能會產生 +1ms 多的誤差。

實測發現，沒有任務負載的情況下（純粹循環調用Sleep(1)），阻塞時長穩定在 2ms；而有任務負載時，則至少會阻塞 1ms。這和其它兩種阻塞方式不同，詳見后文。

如果需要修正這個誤差，可以在阻塞 n 毫秒時，使用Sleep(n-1)，并通過Stopwatch計時，剩余等待時間用Sleep(0)、Thread.Yield或自旋來補充。

Sleep(0)會出讓剩余的 CPU 時間片給優先級相同的線程，而Thread.Yield是出讓剩余的 CPU 時間片給運行在同一核心上的線程。在出讓的時間片結束后，其會被重新調度。一般情況下，整個過程可以在 1ms 之內完成。

Thread.Sleep(0)和Thread.Yield在 CPU 高負載情況下非常不穩定，實測可能會阻塞高達 6ms 時間，所以可能會產生更多的誤差。因此誤差修正最好通過自旋方式實現。

（2）WaitHandle.WaitOne

WaitHandle.WaitOne與Thread.Sleep類似，參數也是毫秒單位。

不同之處是，沒有任務負載的情況下（純粹循環調用WaitOne(1)），阻塞時長穩定在 1.5ms；而有任務負載時，則可能僅阻塞近乎于 0 的時間（猜測是它僅阻塞到當前時間片結束，尚未找到具體的文檔說明）。所以它阻塞的時長范圍是 0 到 2ms 多。

WaitHandle.WaitOne(0)是用來測試等待句柄狀態的，它并不阻塞，所以用它來進行誤差修正類似于自旋，但不如直接使用自旋可靠。

（3）Socket.Poll

Socket.Poll方法的參數是以微秒為單位，理論上，它是使用了網卡的硬件來定時，精度很高。然而，由于阻塞的實現仍然要依賴線程，所以它也只能達到 1ms 的精度。

它的優勢是比Thread.Sleep和WaitHandle.WaitOne要更穩定，誤差也更小，可以不需要修正，但要占用一個 Socket 端口。

沒有任務負載的情況下（純粹循環調用Poll(1)），阻塞時長穩定在 1ms；而有任務負載時，則和WaitOne類似，可能僅阻塞近乎于 0 的時間。所以它阻塞的時長范圍是 0 到 1ms 多。

Socket.Poll(0)是用來測試 Socket 狀態的，但它會阻塞，而且可能阻塞高達 6ms，所以不能用它來進行誤差修正。

2.3timeSetEvent

timeSetEvent和之前提到的timeBeginPeriod一樣屬于 winmm.dll 提供的多媒體定時器功能。它可以直接當作定時器使用，也是提供 1ms 的精度。在不需要的時候使用timeKillEvent來關閉。

它的穩定性和精度也很高，如果需要 1ms 的定時，而又不能使用自旋，那么這是最理想的方案。

雖然 MSDN 上說timeSetEvent是個過時的方法，應該用CreateTimerQueueTimer替換。但是CreateTimerQueueTimer精度和穩定性都不如多媒體定時器，所以在需要高精度的時候，只能使用timeSetEvent。

3、定時器實現

需要注意的是，無論自旋還是阻塞，顯然定時器都應該運行在獨立的線程，不能干擾使用方線程工作。而對于高精度定時器來說，觸發事件以執行任務的線程一般都在定時器線程內，而不是再使用獨立的任務線程。

這是因為高精度定時場景下，執行任務的時間開銷很可能大于定時器的時間間隔，如果默認就在其它線程執行任務，可能導致占用大量線程。所以應該把控制權交給用戶，讓用戶在需要的時候自行調度任務執行的線程。

3.1觸發模式

由于在定時器線程執行任務，所以定時器的觸發就產生了三種模式。以下是它們的說明和主循環偽代碼：

（1）固定時間框架
比如間隔 10ms，任務 7-12ms，則會按照等待 10ms 、任務 7ms、等待 3ms、任務 12ms（超時 2ms 失去同步）、任務 7ms、等待 1ms（回到同步）、任務 7ms、等待 3ms、… 進行。就是盡量按照設定好的時間框架來執行任務，只要任務不是始終超時，就可以回到原本的時間框架上。

var 下一幀時間 = 0;while(定時器開啟){  下一幀時間 += 間隔時間;  while (當前計時 < 下一幀時間)  {    等待;  }  觸發任務;}

（2）可推遲時間框架：
上面的例子會按照等待 10ms 、任務 7ms、等待 3ms、任務 12ms（超時，推遲時間框架 2ms）、任務 7ms、等待 3ms、… 進行。超時的任務會推遲時間框架。

var 下一幀時間 = 0;while(定時器開啟){  下一幀時間 += 間隔時間;  if (下一幀時間 < 當前計時)    下一幀時間 = 當前計時  while (當前計時 < 下一幀時間)  {    等待;  }  觸發任務;}

（3）固定等待時間
上面的例子會按照等待 10ms、任務 7ms、等待 10ms、任務 12ms、等待 10ms、任務 7ms… 進行。等待時間始終不變。

while(定時器開啟){  var 等待開始時間 = 當前計時;  while ((當前計時 - 等待開始時間) < 間隔時間)  {    等待;  }  觸發任務;}// 或者：var 下一幀時間 = 0;while(定時器開啟){  下一幀時間 += 間隔時間;  while (當前計時 < 下一幀時間)  {    等待;  }  觸發任務;  下一幀時間 = 當前計時;}

如果使用多媒體定時器（timeSetEvent），它固定實現了第一種模式，而其它的等待策略能夠實現全部三種模式，可以根據需求選擇。

在while循環中的等待可以使用自旋或阻塞，也可以結合它們來達到精度、穩定性和 CPU 開銷的平衡。

另外，由上面的偽代碼可以看出，這三種模式的實現可以統一，能夠做到根據情況切換。

3.2線程優先級

最好把線程優先級調高，以保證定時器能夠穩定工作，減少被搶占的機會。然而需要注意，這在 CPU 資源不足時可能導致低優先級線程的饑餓。也就是說不能讓高優先級線程去等待低優先級線程改變狀態，很有可能低優先級線程沒有機會運行，導致死鎖或類似死鎖的狀態。（見一種類似的饑餓的例子）

線程的最終優先級和進程的優先級有關，所以有時候也需要提高進程優先級（見 C# 中的多線程系列的線程優先級說明）。

4、其它

還有兩點需要注意：

（1）線程安全：定時器在獨立線程運行，其暴露的成員都應該實現線程安全，否則在定時器運行時調用可能會產生問題。
（2）及時釋放資源：多媒體定時器、等待句柄、線程等等這些都是系統資源，在不需要它們的時候應該及時釋放/銷毀。
如何查看系統定時器精度？

簡單的查看可以使用Sysinternals工具包中的 ClockRes，它會顯示如下信息：

Maximum timer interval: 15.625 msMinimum timer interval: 0.500 msCurrent timer interval: 15.625 ms// 或Maximum timer interval: 15.625 msMinimum timer interval: 0.500 msCurrent timer interval: 1.000 ms

如果是想查看哪些程序請求了更高的系統定時器精度，那么運行：