C#实现1ms定时器不精准？如何实现一个高性能高精度的1ms定时器？（附完整示例Demo）

在C#日常开发中，我们经常需要使用定时器（Timer）进行周期性任务的执行。
例如，每隔1秒打印一条日志，或每隔100毫秒执行某个数据刷新逻辑。

但是，当我们尝试在C#中实现一个1毫秒（1ms）级别的高精度周期性定时时，往往会发现结果并不如预期理想。

标准的托管定时器（如 System.Threading.Timer 或 System.Timers.Timer）虽然能简单快速地实现周期性调用，但在1ms级别的精度要求下却经常出现几ms延迟甚至几十ms的偏差。

测试下来是和电脑的性能会有关系。

本文将深入分析为什么在C#中难以实现精确的1ms定时，并给出解决方案。

我们将利用 Windows 的多媒体定时器（Multimedia Timer）来显著提高定时精度，并给出完整的示例代码，让您在实际项目中轻松上手。

为什么C#的托管定时器不精确？

1. 操作系统定时器分辨率的限制

Windows系统本身对计时有一定的粒度限制。默认情况下，Windows的系统计时器频率可能在10~15.6ms左右。当您使用标准托管定时器设定间隔为1ms时，其实是向操作系统提出了一个“请求”，但由于底层定时器分辨率所限，最终触发往往会推迟到下一个系统计时点，导致数毫秒到十几毫秒的延迟。这也意味着在1秒内，您可能只会收到数百次回调，而非理想中的1000次。

2. 托管环境和垃圾回收（GC）

C# 运行在 .NET CLR（或 .NET Runtime）之上，这是一层托管运行环境。托管运行时需要进行垃圾回收、线程调度和JIT编译等工作。这些过程会引入额外的延迟和不确定性，使定时器触发时间更加不可控。在满负载或GC频繁触发时，定时回调的执行可能被进一步推迟。

3. 线程池和任务调度

System.Threading.Timer 和 System.Timers.Timer 通常基于线程池调度任务。线程池不是为毫秒级别的实时触发而设计的，它更倾向于在较低精度要求下的周期性或延迟任务。因此，即使设定了1ms的间隔，实际触发时刻仍会受到线程池任务排队和分配的影响。

如何提升定时精度？

若要实现接近1ms级别的定时精度，需要采取以下策略：

1. 提高系统定时器精度：
   使用 timeBeginPeriod(1) 来设置系统全局计时器分辨率为1ms。此举会让Windows的定时粒度更精细，让后续的定时调用有更高概率以1ms级别进行触发。需要注意，提高系统计时精度会增加系统整体负载与耗电。

2. 使用多媒体定时器（timeSetEvent）：
   多媒体定时器是Windows早期为音视频播放等对时序要求较高的场景而设计的API。与标准托管定时器相比，多媒体定时器能在极短的间隔内更加稳定地触发回调，从而提升定时精度。

3. 使用原子操作和低延迟回调：
   在回调中使用 Interlocked 系列函数来确保多线程场景下的计数操作是线程安全和低开销的。同时避免在回调中执行过于复杂的逻辑，将回调尽可能简化以缩短执行时间，降低后续触发的抖动。

4. 考虑实时系统或硬件计时（如果要求更高）：
   当需要真正严格的实时性能（如工业控制或设备驱动开发），Windows并非最佳平台。这时应考虑实时操作系统（RTOS）、专用硬件计数器或微控制器，以达到真正的毫秒乃至微秒级精度。

使用多媒体定时器的完整示例代码

下面的代码展示了如何使用多媒体定时器 timeSetEvent 来实现一个1ms定时器和一个1s定时器：

• 1ms定时器：每1ms增加一次计数器 _counter
• 1s定时器：每1秒读取 _counter 值并打印，然后重置为0

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Threading;

class Program
{
    [DllImport("winmm.dll", SetLastError = true)]
    private static extern uint timeSetEvent(
        uint uDelay,
        uint uResolution,
        TimeProc lpTimeProc,
        IntPtr dwUser,
        uint fuEvent
    );

    [DllImport("winmm.dll", SetLastError = true)]
    private static extern uint timeKillEvent(uint uTimerId);

    [DllImport("winmm.dll", SetLastError = true)]
    private static extern int timeBeginPeriod(uint uMilliseconds);

    [DllImport("winmm.dll", SetLastError = true)]
    private static extern int timeEndPeriod(uint uMilliseconds);

    private delegate void TimeProc(uint uTimerID, uint uMsg, IntPtr dwUser, IntPtr dw1, IntPtr dw2);

    private static uint _timerId1ms;
    private static uint _timerId1s;
    private static long _counter = 0;

    private static TimeProc _timeProc1ms;
    private static TimeProc _timeProc1s;

    static void Main()
    {
        // 提高系统定时器精度到1ms
        timeBeginPeriod(1);

        _timeProc1ms = new TimeProc((uTimerID, uMsg, dwUser, dw1, dw2) =>
        {
            // 每1ms增加一次计数
            Interlocked.Increment(ref _counter);
        });

        _timeProc1s = new TimeProc((uTimerID, uMsg, dwUser, dw1, dw2) =>
        {
            // 每1s读取并打印计数
            long currentCount = Interlocked.Read(ref _counter);
            Debug.WriteLine($"当前计数值: {currentCount}");
            Interlocked.Exchange(ref _counter, 0);
        });

        // 启动1ms定时器（周期性）
        _timerId1ms = timeSetEvent(1, 0, _timeProc1ms, IntPtr.Zero, 1);
        if (_timerId1ms == 0)
        {
            Console.WriteLine("1ms定时器创建失败");
            Cleanup();
            return;
        }

        // 启动1s定时器（周期性）
        _timerId1s = timeSetEvent(1000, 0, _timeProc1s, IntPtr.Zero, 1);
        if (_timerId1s == 0)
        {
            Console.WriteLine("1s定时器创建失败");
            Cleanup();
            return;
        }

        Console.WriteLine("按下任意键退出...");
        Console.ReadKey();
        Cleanup();
    }

    private static void Cleanup()
    {
        if (_timerId1ms != 0)
        {
            timeKillEvent(_timerId1ms);
            _timerId1ms = 0;
        }

        if (_timerId1s != 0)
        {
            timeKillEvent(_timerId1s);
            _timerId1s = 0;
        }

        timeEndPeriod(1);
    }
}

运行后效果：
您将看到在控制台或Debug输出中，每秒打印一次计数值。与托管定时器相比，使用多媒体定时器后，每秒计数的值通常能更接近1000。尽管仍可能受到系统负载影响，但相较常规定时器，这已经是一个显著的提升。

总结

• 在C#中尝试实现1ms精度的定时器时，使用默认托管定时器往往不够精确。
• 系统定时器分辨率、托管运行时环境和线程调度机制都会影响定时精度。
• 通过使用 timeBeginPeriod 和多媒体定时器 timeSetEvent，我们可以大幅提升定时器的精度和稳定性。
• 若有更高的实时性需求，可考虑使用实时操作系统或硬件定时器来获得更高精度。

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_38428126/article/details/144287766

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