C言語で信頼できる時間誤差

Question

C言語で信頼できる時間誤差
C言語のQueryPerformanceCounterを用いて時間を計測するプログラムを作りました．
このとき時間の間隔は必ずしも500m秒になりません．

原因としては，
1. Sleep関数に含まれる誤差
2. QueryPerformanceCounter関数に含まれる誤差
の2つが考えられると思っています．
そこで，質問ですが，1および2の誤差ってどの程度なのでしょうか？
また，その他に誤差が出現するとすれば，それは何でしょうか．

ちなみに，PCはwindows XPでMicrosoft Viusal Stadio 2010で動作させ，
その他のアプリケーションは開いていない状況下で実行しました．

サンプルプログラムにより実行しましたが，何が原因なのでしょうか？

**********【サンプルプログラム】**********
#include <stdio.h>
#include <windows.h>

void main (void){
LARGE_INTEGERm_pCounterFreq;
LARGE_INTEGERm_pBeforeCounter;
LARGE_INTEGER ulCounter;
double dPassageSec;
double pre =0.0;
int counter;

printf("取得時間,取得時間間隔\n");
QueryPerformanceFrequency( &m_pCounterFreq );
QueryPerformanceCounter( &m_pBeforeCounter );
for(counter=0;;counter++){
QueryPerformanceCounter( &ulCounter );
dPassageSec = (double)(ulCounter.QuadPart - m_pBeforeCounter.QuadPart) / (double)m_pCounterFreq.QuadPart;
if(dPassageSec >= 5.2) break;
Sleep(500);
printf("%-12f,%-12f\n", dPassageSec, dPassageSec-pre);
pre = dPassageSec;
}
}

**********【実行結果一例】**********
取得時間,取得時間間隔
0.000002 ,0.000002
0.486344 ,0.486342←14msも誤差がある
0.986095 ,0.499751
1.486106 ,0.500012
1.986102 ,0.499995
2.486100 ,0.499998
2.986116 ,0.500016
3.486089 ,0.499973
3.986090 ,0.500001←ほぼ500ms
4.486092 ,0.500002
4.986208 ,0.500117

sonot · Accepted Answer

たぶん間違いないと思いますが、MS-WindowsもUNIXやLinuxもリアルタイムOSではありません。
ご存じのように、これらのOSはマルチタスクにより、同時にいろいろな処理が動いています。
そして、Sleepすると実行権を解放します。
その後、Sleep終了後に実行権が与えられるのですが（この場合であれば）500ms後丁度に実行権が与えられることは保証されていません。

確か、NASAはLinuxを使用しているはずですが、これはLinuxをリアルタイムOSに改造したものを使用していると聞きました。
ロケットの打ち上げでは、チョットの時間のズレも一大事になる可能性がありますからね。

goma1109 · Answer

Sleep関数の精度についてはMSDNの英語のページに説明があります。　日本語にはありませんが。
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms686298%28VS.85%29.aspx
http://msdn.microsoft.com/ja-jp/library/cc429358.aspx

ここも参考になります。
http://hp.vector.co.jp/authors/VA007219/rtc_pic.html

結論としてはSleepは高精度のタイマーとしては使えないと思います。

rinkun · Answer

Sleepですね。Sleepの動作としてはプロセスの実行権を手放して指定時間を過ぎてから実行可能状態にするだけです。指定時間を過ぎてもカーネル、デバイスドライバなど特権プログラムの実行中だと実行可能状態になるまでに時間が掛かる場合もありますし、実行可能状態になっても他の実行可能プロセスとの競合で実行再開が遅れる場合があります。
従って、再開時間の精度を上げようと思うと以下が必要になります。
1. カーネル、デバイスドライバ等の特権プログラムでの割り込み禁止時間を短くする
2. プロセスを他のプロセスより優先度を高くする
このうち2はプロセス起動時の設定などでできますが、1は使う全てのデバイスに関わるため簡単ではありません。
数年前にLinuxで調べたときにはディスク・デバイスドライバに長い割り込み禁止があり時々タイマに数百msを越える遅延がありました。

なお、QueryPerformanceCounterも結構重いですが、待ちは伴わないので数マイクロ秒程度の遅延しかありませんし、取得する値にはほぼ誤差はないはずです。

titokani · Answer

>1. Sleep関数に含まれる誤差
>2. QueryPerformanceCounter関数に含まれる誤差
QueryPerformanceCounterの値は、ＣＰＵのクロックに使われている水晶発振子からきているので、誤差はほぼゼロと考えてよいです。
この場合の原因はSleepの誤差ですね。
理由は他の方もおっしゃっている通りで、Sleepとはそもそもそんなものと考えて使うべきでしょう。

なるべく正確に500msウェイトしたいなら、Sleepで490msとか480msとか待つようにして、最終調整にQueryPerformanceCounterを使うのがいいと思います。

まあ、それでも他のアプリとの競合次第では、大幅にタイミングが遅れる可能性はあります。
そのあたりをどの程度まで許容できるかですね。
絶対に500msを外せないのであれば、ＯＳの選定から考えなければならないでしょう。

Ohgimachi · Answer

UNIXやWindowsなどのＯＳでは、１つのハードウエアのタイマーやクロックはＯＳが独占使用します。そしてアプリには複数存在するように見せかける、仮想的なソフトウェア・タイマーを搭載しています。その仕組みによって複数のプロセスからの要求を実現しているのです。 
従って、その時の状況に応じた値になってしまい、必ずしも正確なものを保証している訳ではありません。

notnot · Answer

No1の方が書いているように、厳密には無理なわけですが、出来るだけ誤差を減らすためにはそのプロセスのCPUプライオリティを上げればいいです。

Win32APIでプロセス起動の時に指定出来たはず。起動してからで良ければタスクマネージャで変更出来ます。

シングルコアで高い優先度にしたプロセスがループすると電源切るしかないので、注意が必要ですが。

シングルコアで高い優先度にしたプロセスがループすると電源切るしかないので、注意が必要ですが。

C言語で信頼できる時間誤差

たぶん間違いないと思いますが、MS-WindowsもUNIXやLinuxもリアルタイムOSではありません。

Sleep関数の精度についてはMSDNの英語のページに説明があります。

Sleepですね。

>1. Sleep関数に含まれる誤差

UNIXやWindowsなどのＯＳでは、１つのハードウエアのタイマーやクロックはＯＳが独占使用します。

No1の方が書いているように、厳密には無理なわけですが、出来るだけ誤差を減らすためにはそのプロセスのCPUプライオリティを上げればいいです。

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