C# .NET/Mono 中精确可靠的步进计时

Posted 2023-03-31

【中文标题】C# .NET/Mono 中精确可靠的步进计时

【英文标题】：Precise and reliable step timing in C# .NET/Mono

【发布时间】：2017-12-19 07:28:32

【问题描述】：

对于我正在进行的项目，我需要每秒（几乎）准确地执行一些逻辑 10 次。我知道非实时操作系统的局限性，偶尔 10-20% 的余量是可以的；也就是说，周期之间偶尔延迟最多 120 毫秒是可以的。但是，重要的是我可以绝对保证周期性的逻辑执行，并且不会出现超出上述余量的延迟。这在 C# 中似乎很难实现。

我的情况如下：应用程序启动后的一段时间，触发了一个事件，将启动逻辑执行周期。在该循环运行时，该程序还处理其他任务，例如通信、日志记录等。 我需要能够在 Windows 上使用 .NET 和在 Linux 上使用 Mono 运行该程序。这不包括导入 winmm.dll 作为使用其高精度计时功能的可能性。

到目前为止我尝试了什么：

使用 while 循环，使用 Stopwatch 计算逻辑执行后所需的剩余延迟，然后以该延迟量调用 Thread.Sleep；这是非常不可靠的，通常会导致更长的延迟，有时会导致很长的延迟 使用 System.Threading.Timer；回调通常每 ~109 毫秒调用一次 使用我认为更合适的 System.Timers.Timer，并将 AutoReset 设置为 true； Elapsed 事件每约 109 毫秒引发一次。 使用高精度计时器，例如可以在here 或here 找到的计时器。但是，这会导致（正如预期的那样）非常高的 cpu 负载，考虑到我的系统设计，这是不可取的。

目前最好的选择似乎是使用 System.Timers.Timer 类。为了更正上面提到的 109 毫秒，我将间隔设置为 92 毫秒（这看起来很 hacky ......！）。然后，在事件处理程序中，我使用秒表计算实际经过的时间，然后根据该计算执行我的系统逻辑。

在代码中：

var timer = new System.Timers.Timer(92);
timer.Elapsed += TimerElapsed;
timer.AutoReset = true;
timer.Start();
while (true)

和处理程序：

private void TimerElapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)

    var elapsed = _watch.ElapsedMilliseconds;
    _watch.Restart();
    DoWork(elapsed);

但是，即使使用这种方法，偶尔也会发生事件仅在超过 200 毫秒后才触发，最多超过 500 毫秒（在 Mono 上）。这意味着我错过了一个或多个逻辑执行周期，这可能是有害的。

有没有更好的方法来解决这个问题？或者这个问题是操作系统工作方式所固有的，没有更可靠的方法可以在没有高 CPU 负载的情况下以稳定的间隔执行重复的逻辑执行？

【问题讨论】：

我遇到了类似的问题，最终在 Winmm.dll 中使用了本机计时功能。可用 .NET 计时器的最大精度为 +-14ms

@BoeseB：感谢您的回复。我可能最终会恢复使用 Windows 的 Winmm.ddl 函数，如果这也保证不会发生长间隔。这就留下了如何在 Linux 下使用 Mono 来处理这个问题。

你在逻辑执行中做什么？您是否尝试像 PLC 一样控制某些机器，或者这种循环逻辑的目的是什么？

这涉及交通灯控制器；基于当前系统状态，它计算输出的期望状态。它实际上并没有物理控制任何东西，只是进行计算和设置状态。然后程序远程传达新的状态。

【参考方案1】：

与此同时，我能够在很大程度上解决这个问题。

首先，我对问题中引用的计时器的 CPU 使用情况进行了纠正。 CPU 使用率是由于我自己的代码，我使用了一个紧凑的 while 循环。

发现后，我能够通过使用两个计时器来解决该问题，并在运行时检查环境类型，以决定实际使用哪一个。为了检查环境，我使用：

private static readonly bool IsPosixEnvironment = Path.DirectorySeparatorChar == '/';

这在 Linux 下通常是正确的。

现在，可以使用两个不同的计时器，例如this one 用于 Windows，this one 用于 linux，如下所示：

if (IsPosixEnvironment)

    _linTimer = new PosixHiPrecTimer();
    _linTimer.Tick += LinTimerElapsed;
    _linTimer.Interval = _stepsize;
    _linTimer.Enabled = true;

else

    _winTimer = new WinHiPrecTimer();
    _winTimer.Elapsed += WinTimerElapsed;
    _winTimer.Interval = _stepsize;
    _winTimer.Resolution = 25;
    _winTimer.Start();

到目前为止，这给了我很好的结果；步长通常在 99-101 ms 范围内，间隔设置为 100 ms。此外，对于我而言，更重要的是，不再有间隔。

在较慢的系统（Raspberry Pi 第一代 B 型）上，我仍然偶尔会得到更长的间隔，但我必须先检查整体效率，然后再得出结论。

还有this timer，它可以在两种操作系统下开箱即用。在一个测试程序中，与之前链接的那个相比，这个在带有 Mono 的 Linux 下导致了更高的 CPU 负载。