И всё-таки, возможен ли 1мс таймер в Windows?

Kate · 13 Фев 2022

Вводные: нам нужен таймер, на Windows, с точностью порядка 1мс, драйвер при этом мы писать не хотим и решения при исполнении которых процессор попытается радикально ускорить глобальное потепление не приемлем.

Есть ли такое решение? Из коробки - нету, но при помощи нехитрых приспособлений наше досадное недоразумение превращается... в точный таймер, конечно же.

У нас есть некоторое количество ~~досадных недоразумений~~ системных API которые с каждой новой весией Windows всё сильнее ужимают с целью экономии батареи на ноутбуках, общий обзор можно посмотреть в статье по ссылке в самом начале, с графиками. В целом, можно сказать что сколько-нибудь удовлетворительный тайминг начинается примерно со 100мс, всё что ниже чем 15.6мс за гранью допустимого (по мнению ребят из Microsoft). Да и вообще, 640КБ ну точно хватит всем, правда?

Ну а временные промежутки меньше 1мс вообще немыслимы - большинство API даже не принимает таких значений, не говоря уже о корректной работе с ними.

Исходя из этого я буду строить своё решение вокруг трех недокументированных функций API Win32: NtQueryTimerResolution, NtSetTimerResolution, NtDelayExecution.
Связка из первых двух позволяет добиться разрешения системного таймера меньше 1мс, а третья - воспользоваться этим дополнительным разрешением для сна с точностью менее 1мс.

Итак, начнем: я пишу преимущественно на C#, но на ~~любом~~ многих ЯП можно написать всё точно то же самое.

Шаг 0: поднимем разрешение до максимального. Начиная с Win10 2004 это разрешение больше не является глобальным так что можно ни в чём себе не отказывать (с другой стороны - если процесс не поднял себе разрешение то оно будет 15.6мс вне зависимости от того что там в "глобальном" параметре).

[DllImport("ntdll.dll", SetLastError = true)]
static extern int NtQueryTimerResolution(out int MinimumResolution, out int MaximumResolution, out int CurrentResolution);
[DllImport("ntdll.dll", SetLastError = true)]
static extern int NtSetTimerResolution(int DesiredResolution, bool SetResolution, out int CurrentResolution);

private static void AdjustTimerResolution()
{
var queryResult = NtQueryTimerResolution(out var min, out var max, out var current);

if (queryResult != 0) return;

_systemTimerResolution = TimeSpan.FromTicks(current);

if (NtSetTimerResolution(max, true, out _) == 0)
{
_systemTimerResolution = TimeSpan.FromTicks(max);
}
}
Шаг 1: создадим класс PreciseTimer. Полный код я привести, увы, не могу но общая структура такова: поток с максимальным приоритетом который крутится в while(true) цикле и следущие важные поля:

// Период срабатывания
private TimeSpan _period;
// Время прошедшее от последнего срабатывания
private readonly Stopwatch _sw = Stopwatch.StartNew();
// Время оставшееся до следующего срабатывания
public TimeSpan Remaining => _period - _sw.Elapsed;
// Таймер уничтожен и должен быть остановлен
private bool _disposed;
Приметка для людей которые не пишут на C#: Stopwatch это обертка над Win32 методамиQueryPerformanceFrequency и QueryPerformanceCounter, никакой дополнительной магии нету.

Шаг 2: выясним сколько же нам спать. И спим!

private static void TimerTick()
{
// Реализацию выбора следующего таймера оставим пытливым читателям
PreciseTimer nextTimer = GetNextTimer();

while (!nextTimer._disposed)
{
var remaining = nextTimer.Remaining;

if (remaining > _systemTimerResolution)
{
// Если разрешение системного таймера позволяет - спим
SleepPrecise(remaining);
continue;
}

// Когда разрешение уже не позволяет спать - спиним
while (nextTimer.Remaining > TimeSpan.Zero)
{
// YieldProcessor(), для X86 это инструкция REP NOP
Thread.SpinWait(1000);
}

// Дождались: тикаем!
nextTimer.Tick();
break;
}
}

// Функция unsafe потому что автор кода - ленивая жопа
// Перед броском гнилым помидором подумайте: хотелось бы вам выделять память вручную?
[DllImport("ntdll.dll", SetLastError = true)]
static unsafe extern int NtDelayExecution(bool alertable, long* delayInterval);

private static unsafe void SleepPrecise(TimeSpan timeToSleep)
{
// Посчитаем число целых периодов сна, округлим отбрасываем дробной части
var periods = (int)(timeToSleep.TotalMilliseconds / _systemTimerResolution.TotalMilliseconds);

if (periods == 0)
return;

// И спим!
var ticks = -(_systemTimerResolution.Ticks * periods);
NtDelayExecution(false, &ticks);
}
Шаг 3: посмотрим что из этого вышло: запустим таймер на 1 минуту и запишем полученные промежутки времени. Код обвязки был использован тоже из статьи по линку в начале, но, к сожалению, там нет кода чтобы построить те великолепные графики, поэтому... не стреляйте в программиста, он рисует как умеет.

Тесты запускались на Ryzen 9 5950X под управлением Win11 версии 22000.469
Среднее значение для таймера в 1мс: 1.022мс, stddev = 0.018

Распределение тиков, таймер 1мс
Для таймера в 10мс: 10.022мс, stddev = 0.017

Распределение тиков, таймер 10мс
Очевидно, что алгоритм можно слегка улучшить учитывая время лага и дожать среднее до целевого, но это тоже останется задачей для пытливых читателей.

С загрузкой процессора вопрос интереснее, в целом можно утверждать что обнаружению она не поддается: все утилиты радостно рапортируют о 0% загрузке. Установив вручную Affinity на конкретное ядро процессора ничего интересного тоже не обнаружено:

А вы угадаете на каком ядре сейчас вовсю жарит 1мс таймер?
Подводя итог: цель достигнута? Мне кажется что ответ "да".

Все сниппеты кода вдохновлены реальными событиями и использованы в продакшне.