Windows的系统时钟间隔

引用注明>> 【作者：张佩】【原文：www.yiiyee.cn/blog】

工具下载：http://www.yiiyee.cn/Blog/clock-interval/

系统时钟间隔是个一般不被关心的系统标量，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. 线程调度和时钟间隔

系统时钟间隔和另一个极重要的系统标量关联在一起，即系统的线程调度时间。按照Windows系统的设计，线程调度时间被分为普通程序和后台服务两种类型。前者时间长度是2个时钟间隔，后者时间长度是6个时钟间隔。一旦时钟间隔被确定，线程调度时间也就基本确定了。

OS根据平台的不同，定义固定的最小和最大时钟间隔。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：

图1 获取时钟频率

线程调度时间是一个重要的系统标量，对不用功能的应用而言，它的取值具有矛盾性。如果调度时间太小，系统就会频繁切换线程（时间片用完）而导致性能降低。而如果调度时间太长，某些对于实时性要求强的任务又无法接受。

线程调度时间和时钟间隔的另一个关系是，系统把时钟间隔的1/3作为线程调度的基本时间片段，也就是说，如果一个线程在运行过程中放弃剩余的时间片，则它用掉的和放弃的，都是1/3时钟间隔的倍数。系统默认总是使用最大时钟间隔为当前使用的时钟频率，时钟间隔越大，线程就越可能在一个时间片内完成全部工作，剩下的时间片还可以还给系统重新调度。应放弃剩余时间片而产生的损失，不会操作1/3时钟间隔。

哪些任务是属于实时性能强的呢？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，笔者在本机（Win7 64）做实验发现，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，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在自己的机器上未测试出类似情况，可能是由于读者所使用的软件版本与笔者当前所使用的不一致，笔者对此不做特殊保证。

2. 用户程序

用户程序控制系统时钟间隔，所能使用的最简单的办法是调用Windows MMLib库的接口函数timeBeginPeriod。与timeBeginPeriod相匹配，存在另一个接口函数timeEndPeriod。后来用来将修改后的时钟间隔恢复到原始值。这两个函数原型定义如下：

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

按文档说明，程序执行期间这两个函数应当成对调用。但据笔者观察，如果退出程序时忘记调用timeEndPeriod函数，系统时钟间隔也会自动恢复的。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

//……

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

MMLib仅提供了修改时钟间隔的接口，而未提供获取当前时钟间隔的方法，这需要用到另外的Win32API即：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。其中第二个参数lpTimeIncrement返回的是当前的时钟频率（100ns单位）。下面是一段实例代码，它其实也是ClockResV1.0程序的源码：

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，另外有两个未文档的NT接口函数NtQueryTimerResolution和NtSetTimerResolution用来获取和设置时钟频率。在此不做详细分析。

3. 恢复时钟间隔

前文说过应成对地使用timeBeginPeriod和timeEndPeriod函数（除非直接退出程序）。忘记调用timeEndPeriod会产生这样的后果：以后任何程序如果要重新调试系统时钟间隔，只能调低，不能调高。

虽然笔者编写的软件ClockInterval其内部并未使用timeBeginPeriod和timeEndPeriod函数，但上述规则却同样适用。可以用ClockInterval做下面的实验：

1. 开启ClockInterval，假设你得到的结果和图1相同，此时将当前时钟间隔设置成10ms，这一定是可以成功的。
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，再次尝试，使用第二步中的ClockInterval实例设置最大的时钟间隔，成功！

一般来说，在打开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test按钮，会显示关于此的更多信息：

 

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，当前进程无法设置更大时钟间隔（>1ms）。