Windows系统时钟间隔

引用注明>> 【作者:张佩】【原文:www.yiiyee.cn/blog

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系统时钟间隔是个很少被关心到的系统标量,它反映了系统产生时钟中断的频率,间隔越小频率越高,反之亦然。每当时钟中断产生,系统相关的中断函数将会处理这个中断。时钟中断处理函数会更新系统时间,检查内核调试信息等。

1. 时钟间隔

系统时钟间隔和另一个极重要的系统标量关联在一起:线程调度时限。按照Windows系统的设计,线程调度时限被分为普通程序后台服务两种类型。前者运行2个时钟间隔,后者运行12个时钟间隔,用户可以在系统属性中手动更改时限类型。

不同硬件平台定义有不同的最小、最大时钟间隔值。对于X86平台而言,最小时钟间隔是0.5ms,最大值大概是15.6001ms。在内部,时钟间隔以100ns为单位进行表述,所以0.5ms被表示为5000个100ns单位,15.6ms被表示为156001个100ns单位。

使用ClockInterval工具可以查看/设置系统时钟频率(类似的工具是Sysinternal的ClockRes工具,可以查看当前值)。下图是运行ClockInterval后的界面截图:

clock-interval

图1 获取时钟频率

线程调度时限是一个重要的系统标量,对不同功能的应用而言,它的取值具有矛盾性。如果调度时限太小,系统就会频繁切换线程(因为时间片很快用完),从而导致性能降低。而如果调度时限太长,某些对于实时性要求很高的任务则不能接受。

系统把一个时钟间隔分成三份,以其中的一份(1/3时钟间隔)作为线程调度的基本时间片段,称为一个时限单元。如果一个线程在运行过程中放弃剩余的时间片,则它用掉和放弃的,都是时限单元的倍数。

哪些任务需要很强的实时性呢?包括:音视频软件、实时监控软件等。MediaPlayer是一个强实时要求的音频软件,笔者在测试机上(Win7 64)做实验时发现,每当运行MediaPlayer程序,它都会把系统时钟频率调低到10ms;而当退出MediaPlayer,时钟频率又会恢复至原值。类似的软件还有WinAMP和鲁大师等,读者有空可以实测一下,这两款软件会把系统时间间隔设置成1ms(如果读者使用这些软件时,未测试出相同的时钟间隔,可能是由于版本差异引起,笔者对此不做特别保证)。

2. 如何设置

用户程序如要控制系统时钟间隔,最简单的办法是调用Windows MMLib库的接口函数timeBeginPeriod和timeEndPeriod。前者用来设置一个新的最小时钟间隔,后者用来结束当前设置。这两个函数原型定义如下:

MMRESULT timeBeginPeriod(UINT uPeriod );
MMRESULT timeEndPeriod(UINT uPeriod );

程序执行期间这两个函数应当成对调用。据笔者观察,退出程序时如果忘记调用timeEndPeriod函数,系统时钟间隔也会自动恢复。这两个函数较简单,下面是一段演示代码:

UINT newInverval = 1;
MMRESULT r = timeBeginPeriod( newInverval ); // 设置当前系统时钟间隔为1ms

//do something here...

if(r == TIMER_NOERROR)
{
  timeEndPeriod(newInterval);// 最后,再恢复到原频率
}

如要获取当前的时钟间隔值,可使用Win32 API:GetSystemTimeAdjustment。其函数声明如下:

BOOL WINAPI GetSystemTimeAdjustment(
  __out         PDWORD lpTimeAdjustment,
  __out         PDWORD lpTimeIncrement,
  __out         PBOOL lpTimeAdjustmentDisabled
);

这个函数没有一个参数是用来输入的,全部是输出参数。第二个参数lpTimeIncrement返回的就是当前的时钟频率(100ns单位)。下面的实例代码是工具ClockRes V1.0的源码,使用了这个函数:

void main( int argc, char *argv[] )
{
    DWORD adjustment,clockInterval;
    BOOL  adjustmentDisabled;
    GetSystemTimeAdjustment(&adjustment,
                            &clockInterval,
                             &adjustmentDisabled );
    printf( "The systemclock interval is %d ms\n", clockInterval / 10000 );
}

除了上述公开的API接口外,另外有两个未文档函数:NtQueryTimerResolution和NtSetTimerResolution,也可用来获取和设置时钟频率。在此不做详细分析。

3. 关于恢复

前文说过应成对地使用timeBeginPeriod和timeEndPeriod函数,忘记调用timeEndPeriod会导致系统无法将时钟间隔恢复到较大值。当一个进程设置了系统时钟间隔后,系统中的其他进程只能继续将时钟间隔设置成更低值,而无法恢复为较大值。可以用ClockInterval做下面的实验:

  1. 开启ClockInterval,假设你当前得到的时钟间隔是16ms,将它设置成一个较小的值10ms。
  2. 开启另一个ClockInterval实例,此时将看到当前的时钟间隔是10ms。尝试将当前时钟间隔设置成最大值15.6ms,会发现设置失败。
  3. 关闭第一个ClockInterval实例后,在第二个ClockInterval实例中,再次将当前时钟间隔设置成最大值15.6ms,可以成功!

打开ClockInterval程序后,界面上显示的当前时钟间隔值是你所能重设的时钟间隔的上限。点击ClockInterval界面的“测试”按钮,会提示最大可设置的时钟间隔值。

 

图2 Test测试

图中信息所示:在系统中的其它进程/线程结束其所设置的1ms时钟间隔前,当前进程无法设置>1ms的时钟间隔。

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