C# .NET/Mono 中精确可靠的步进计时

Question

对于我正在处理的项目，我需要每秒精确地执行一些逻辑（几乎）10 次。我知道非实时操作系统的局限性，偶尔说 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，并且不会发生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：应用程序启动一段时间后，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。

到目前为止我尝试过的：

• 使用while循环，使用秒表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 ~109 毫秒引发一次。
• 使用高精度计时器，例如可以在此处或此处找到的计时器。但是，这会导致（如预期的那样）非常高的 cpu 负载，鉴于我的系统设计，这是不可取的。

迄今为止最好的选择似乎是使用 System.Timers.Timer 类。为了更正提到的 109 毫秒，我将时间间隔设置为 92 毫秒（这看起来很糟糕......！）。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);
}

然而，即使使用这种方法，偶尔也会发生事件仅在超过 200 毫秒后触发，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处理这个问题？或者这个问题是否是操作系统工作方式固有的问题，是否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进行重复的逻辑执行？

Answer 1

与此同时，我基本上解决了这个问题。

首先，我纠正了我在问题中引用的计时器的 CPU 使用情况。CPU 使用率是由于我自己的代码造成的，我在其中使用了紧密的 while 循环。

发现这一点后，我能够通过使用两个计时器来解决这个问题，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，可以使用两种不同的计时器，例如，这个用于 Windows，另一个用于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。而且，对于我的目的而言，更重要的是，不再有更长的间隔。

在较慢的系统（Raspberry Pi 第一代型号 B）上，我偶尔仍然会得到更长的间隔，但我必须先检查整体效率，然后才能得出结论。

还有这个计时器，它可以在两种操作系统下开箱即用。在测试程序中，与之前链接的程序相比，这个程序在带有 Mono 的 Linux 下导致了更高的 CPU 负载。