Windows高精度时间
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第1章计时
计时就是获得两个时刻之间的时间。
1.1 GetTickCount
GetTickCount是很常用的函数。它获得Windows启动时刻到当前时刻的时间，单位为毫秒。关于它有两点需要说明：
1、它的实际精度只有15ms左右，具体请参考下文介绍的测试代码；
2、GetTickCount返回的是一个32位的无符号整数，Windows连续运行49.710天后，它将再次从零开始计时。
可使用GetTickCount64代替GetTickCount，它将返回一个64位的无符号整数。Windows连续运行5.8亿年后，其计时才会归零。
1.2 timeGetTime
timeGetTime的参数、返回值、作用与GetTickCount完全一致。只是它的精度比GetTickCount要高：大部分情况下能精确到1ms，有时它也只能精确到15ms。具体请参考下文介绍的测试代码。
1.3 QueryPerformanceCounter
Windows上可以使用高性能计时器，熟悉两个 API 函数即可。
QueryPerformanceCounter与GetTickCount类似，也是获得Windows启动时刻到当前时刻的时间，不过它的单位不是毫秒。它的单位需要通过QueryPerformanceFrequency来获得。QueryPerformanceFrequency将获得一个频率Freq，它表示高性能计时器1秒钟的计数次数，也就是说QueryPerformanceCounter获得的时间是一个计数值，其单位是
秒。
高性能计时器的精度：在笔者的电脑上，频率Freq为3134267，一个计数的时间是
秒，也就是0.319微秒或319纳秒。这也就是高性能计时器的精度。
高性能计时器的归零：QueryPerformanceCounter获得的计数是一个有符号的64位整数。频率Freq为3134267的Windows在连续运行9.3万年后，QueryPerformanceCounter获得的计数才可能归零。
需要注意：并不是所有的电脑都支持QueryPerformanceCounter。
1.4 测试
为了比较三个计时器的精度，特编制如下代码：
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//使用高性能计时器实现的 GetTickCount 函数 double GetTickCountA() { __int64 Freq = 0; __int64 Count = 0; if(QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&Freq) && Freq > 0 && QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&Count)) { //乘以1000，把秒化为毫秒 return (double)Count / (double)Freq * 1000.0; } return 0.0; }
void Test() { timeBeginPeriod(1); //提高timeGetTime的精度 double a0 = GetTickCountA(); DWORD b0 = timeGetTime(); DWORD c0 = GetTickCount(); Sleep(5); double a1 = GetTickCountA(); DWORD b1 = timeGetTime(); DWORD c1 = GetTickCount(); timeEndPeriod(1); //必须与timeBeginPeriod成对出现 TRACE(_T("a=%.1lf\tb=%d\tc=%d\n"),a1-a0,b1-b0,c1-c0); } |
多次运行Test函数，可以得到如下结果：
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a=5.0 b=5 c=15 a=4.9 b=5 c=0 a=1.4 b=15 c=16 a=4.2 b=5 c=0 a=4.9 b=5 c=0 |
如果认为高性能计时器最为可靠，就可以得到如下结论：
1、GetTickCount最不靠谱，其计时精度只有15ms左右；
2、timeGetTime大部分情况下比较靠谱，能够达到1ms的精度。但存在误差较大的情况；
3、Sleep(5)并不能准确的等待5ms。大部分情况下它会等待4.0~5.0ms，极个别的情况下会等待1.4ms、13.7ms。
第2章等待
2.1 Sleep
Sleep的用法很简单，如：Sleep(5)表示等待5ms。它最大的问题在于精度只有10ms左右。
2.2 SetWaitableTimer
使用SetWaitableTimer等待一段时间的示例代码如下：
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void SleepA(double dMilliseconds) { HANDLE hTimer = CreateWaitableTimer(NULL,TRUE,NULL); if(hTimer) { __int64 nWait = -(__int64)(dMilliseconds * 10000.0); SetWaitableTimer(hTimer,(LARGE_INTEGER*)&nWait ,0,NULL,NULL,FALSE); WaitForSingleObject(hTimer,INFINITE); CloseHandle(hTimer); } } |
首先使用CreateWaitableTimer创建一个可等待定时器——hTimer，此时hTimer是无信号的。
调用SetWaitableTimer告诉系统何时设置hTimer为有信号。注意它的第二个参数nWait。nWait是一个64位的有符号整数，正数表示绝对时间，负数表示相对时间。nWait的单位是
秒，即100纳秒，dMilliseconds * 10000.0就是把毫秒转换为
秒，取负号表示相对时间，即调用SetWaitableTimer之后的时间。
WaitForSingleObject用来等待hTimer有信号时返回。
2.3 timeSetEvent
使用timeSetEvent等待一段时间的示例代码如下：
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void SleepB(DWORD dwMilliseconds) { HANDLE hEvent = CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL); timeSetEvent(dwMilliseconds,1,(LPTIMECALLBACK)hEvent ,0,TIME_ONESHOT | TIME_CALLBACK_EVENT_SET); WaitForSingleObject(hEvent,INFINITE); CloseHandle(hEvent); } |
CreateEvent创建了一个无信号的事件；
timeSetEvent告诉系统：dwMilliseconds毫秒后设置hEvent为有信号状态；timeSetEvent的第2个参数1表示精确到1毫秒；
WaitForSingleObject用来等待hEvent有信号时返回。
2.4 轮询
使用高性能计时器轮询的等待代码如下：
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void SleepC(double dMilliseconds) { __int64 nFreq = 0; //频率 __int64 nStart = 0; //起始计数
if(QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&nStart) && QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&nFreq) && nFreq > 0 ) { __int64 nEnd = 0; //终止计数 double k = 1000.0 / (double)nFreq; //将计数转换为毫秒 for(;;) { QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&nEnd); if(dMilliseconds <= (double)(nEnd - nStart) * k) { break; } } } } |
2.5 测试
下面是测试代码
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//使用高性能计时器实现的 GetTickCount 函数 double GetTickCountA() { __int64 Freq = 0; __int64 Count = 0; if(QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&Freq) && Freq > 0 && QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&Count)) {//乘以1000，把秒化为毫秒 return (double)Count / (double)Freq * 1000.0; } return 0.0; } void Test() { {//Sleep double t0 = GetTickCountA(); Sleep(5); double t1 = GetTickCountA(); TRACE(_T("Sleep=%.3lf\t"),t1-t0); } {//A double t0 = GetTickCountA(); SleepA(5.678); double t1 = GetTickCountA(); TRACE(_T("A=%.3lf\t"),t1-t0); } {//B double t0 = GetTickCountA(); SleepB(5); double t1 = GetTickCountA(); TRACE(_T("B=%.3lf\t"),t1-t0); } {//C double t0 = GetTickCountA(); SleepC(5.678); double t1 = GetTickCountA(); TRACE(_T("C=%.3lf\n"),t1-t0); } } |
多次运行Test函数，可得到如下结果：
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Sleep=3.768 A=5.770 B=49.875 C=5.679 Sleep=4.929 A=5.995 B=4.664 C=5.679 ... ... ... Sleep=4.778 A=12.760 B=9.730 C=5.679 ... ... ... Sleep=0.222 A=9.642 B=9.744 C=5.679 Sleep=5.269 A=9.639 B=9.815 C=5.679 Sleep=6.325 A=9.544 B=9.758 C=5.679 Sleep=8.554 A=9.623 B=9.749 C=5.679 Sleep=6.380 A=9.765 B=9.790 C=5.679 Sleep=7.488 A=9.579 B=9.806 C=5.679 Sleep=0.398 A=9.717 B=9.861 C=5.679 Sleep=8.791 A=9.871 B=9.860 C=5.679 Sleep=4.329 A=9.724 B=9.818 C=5.679 Sleep=5.549 A=9.783 B=9.823 C=5.678 Sleep=0.488 A=9.684 B=9.662 C=5.679 Sleep=5.488 A=9.530 B=9.807 C=5.679 Sleep=0.560 A=9.731 B=9.727 C=5.679 Sleep=7.604 A=9.631 B=9.738 C=5.679 Sleep=8.543 A=9.476 B=9.726 C=5.679 Sleep=3.548 A=9.786 B=9.879 C=5.679 Sleep=6.672 A=9.708 B=9.835 C=5.679 Sleep=1.586 A=9.545 B=9.779 C=5.679 |
结论：
1、最稳定、最靠谱、精度最高的是SleepC，即使用高性能计时器轮询等待。不过，它的CPU占用率最高；
2、Sleep、SleepA、SleepB都是不够稳定的。SleepA虽然能够设置到纳秒，但实际等待时间的精度连1毫秒都达不到。
第3章定时器
3.1 SetTimer
示例代码如下
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VOID CALLBACK Timer(HWND hwnd,UINT uMsg ,UINT idEvent,DWORD dwTime) { TRACE(_T("Time=%.3lf\n"),GetTickCountA()); }
void SetTimerAPI() { ::SetTimer(NULL,100,1,Timer); } |
调用函数SetTimerAPI，会发现SetTimer启动的定时器，最快10毫秒执行一次，有时会20毫秒执行一次。
3.2 SetWaitableTimer
示例代码如下
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VOID CALLBACK TimerA(LPVOID lpArgToCompletionRoutine ,DWORD dwTimerLowValue,DWORD dwTimerHighValue) { TRACE(_T("TimeA=%.3lf\n"),GetTickCountA()); }
void SetTimerA() { HANDLE hTimer = CreateWaitableTimer(NULL,FALSE,NULL); if(hTimer) { __int64 nWait = 0; SetWaitableTimer(hTimer,(LARGE_INTEGER*)&nWait ,1,TimerA,NULL,FALSE); for(int i = 0;i < 100;++i) { SleepEx(INFINITE,TRUE); } CloseHandle(hTimer); } } |
说明：SetWaitableTimer后，系统会定时把TimerA函数投递到SetWaitableTimer这行代码所在线程的APC（Asynchronous Procedure Calls）队列里。SleepEx的第2个参数为TRUE，表示一旦发现APC队列里有函数，就调用此函数，并把它从APC队列里删除，最后SleepEx会返回WAIT_IO_COMPLETION。所以，这里的SleepEx函数非常关键。
调用函数SetTimerA，会发现SetWaitableTimer启动的定时器，最快10毫秒执行一次，其执行周期比SetTimer稳定。
3.3 timeSetEvent
示例代码如下
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void CALLBACK TimerB(UINT uTimerID, UINT uMsg, DWORD dwUser, DWORD dw1, DWORD dw2) { TRACE(_T("TimeB=%.3lf\n"),GetTickCountA()); }
void SetTimerB() { timeSetEvent(1,1,TimerB,0 ,TIME_PERIODIC | TIME_CALLBACK_FUNCTION); } |
调用函数SetTimerB，会发现timeSetEvent启动的定时器，能够达到1毫秒执行一次，其执行周期前期非常不稳定大概0.1秒执行一次，过一段时间后就非常稳定了。
3.4 总结
1、最不靠谱的是SetTimer。它的实现原理是将WM_TIMER消息寄送至消息队列。因为消息队列里还有其它消息，它的处理时间不固定也就能够理解了；
2、SetWaitableTimer通过APC队列而不是消息队列实现了定时器。解决了定时器周期不稳定的问题，但是它的定时器周期最小也只能达到10毫秒；
3、timeSetEvent通过多线程实现了定时器（TimerB会被一个多线程调用）。使得定时器周期最小可达1毫秒。它最大的问题在于：前面一段时间（5毫秒）会以非常快的频率（0.1毫秒）调用定时处理函数。
