Windowsソフトリアルタイム実践ガイド

1. 結論まとめ

• 普通の Windows（10/11）で目指すのは hard real-time の保証ではなく、遅延とジッタを小さくし deadline miss を減らすこと
• まず見直すべきは優先度の値より、周期スレッドの中に何を入れているか
• 周期処理を fast path（時間厳守）と slow path（許容できる遅延）に分ける
• fast path では Sleep 任せの待機、ブロッキングI/O、毎回のnew/malloc、無制限キューを避ける
• 実運用では AC給電、電源モード、timer resolution、power throttling、バックグラウンド負荷 が効く
• 評価は平均値だけでなく p99 / p99.9 / max / miss回数 / queue深さ / DPC / ISR / page fault で見る

2. 対象範囲

3. 基本用語

4. チェックリスト：全体像

5. 各項目の詳細

5.1 周期ループは Sleep 任せにしない

Sleep(1) は「1msきっかり待つ」ではなく「少なくとも1ms以上待つ」。周期のずれが累積する。

絶対期限方式に変更する：

int64_t next = QpcNow() + periodTicks;

while (running)
{
    WaitUntil(next - wakeMarginTicks);
    while (QpcNow() < next) { CpuRelax(); }  // 最後だけ短くspin

    int64_t started = QpcNow();
    FastStep();  // no blocking, no alloc, no heavy lock
    int64_t finished = QpcNow();

    RecordTiming(next, started, finished);
    next += periodTicks;  // ポイント：next = now + period にしない

    while (finished > next)
    {
        ++missedDeadlines;  // 遅れを記録
        next += periodTicks;
    }
}

2つのポイント：

• 毎回 next = now + period にしない（ずれが累積しない）
• 遅れたときにどうするかを先に決めておく

5.2 fast path と slow path を分ける

デバイス/タイマ → [fast path: 取得/制御/最小限のコピー] → [固定長キュー] → [slow path: 整形/保存/送信/UI]

fast path に置くものだけ：

• データ取得
• 制御値計算
• 最小限のコピー
• タイムスタンプ
• キュー投入
• missやoverrunの記録

それ以外はすべて slow path に送る。

5.3 キューは固定長

無制限キューは遅延を見えにくくするだけ。

あふれ時の方針を3つから選ぶ：

• 最新値優先：古いデータを捨てる
• 欠落不可：エラー/停止/アラート
• ログ用途：ドロップ数を記録

5.4 fast path に重い処理を入れない

避けるべきもの：

• ファイル書き込み
• ネットワーク送信
• DB書き込み
• 重いログ出力
• 毎回の new / malloc / List<T>.Add
• 毎回の文字列連結や ToString()
• 重いロック
• ページフォルトを呼びやすい初回アクセス処理

特に注意すること：

1. 割り当てと解放：fast path ではバッファを事前確保して再利用
2. ブロッキングI/O：開発機では速くても本番では揺れる
3. ページフォルト：起動時に必要なメモリに一度触れておく

5.5 優先度は必要なスレッドだけ上げる

基本方針：

• UIや通常ワーカーは普通の優先度
• fast path スレッドだけ必要に応じて上げる
• 保存/送信/ログ集約は background mode を検討
• プロセス全体よりスレッド単位で考える

音声/映像の連続ストリームではまず MMCSS を検討：

DWORD taskIndex = 0;
HANDLE hAvrt = AvSetMmThreadCharacteristicsW(L"Audio", &taskIndex);
// ... 処理 ...
AvRevertMmThreadCharacteristics(hAvrt);

REALTIME_PRIORITY_CLASS は副作用が大きいので、専用機で十分検証した上で本当に必要な場合のみ。

5.6 電源設定チェックリスト

1. AC給電で動かす（バッテリー駆動のまま詰めても安定しない）
2. 電源モードを「最適なパフォーマンス」寄りにする
3. 必要なら専用の電源プランを作る（普段はバランス、本番だけ専用）
4. プロセッサの最小/最大の状態を確認（AC時100%/100%を試す価値あり）
5. process power throttling / EcoQoS を確認
6. 不要なバックグラウンド負荷を減らす（クラウド同期、自動更新、常駐監視など）
7. 最小化時/非表示時もテスト（Windows 11では非表示アプリでtimer resolutionが変わることがある）
8. BIOS/UEFIは最後（C-stateや静音設定は機種依存が強い）

6. 計測と評価

6.1 記録すべき項目

• 周期予定時刻、実開始時刻、実終了時刻
• lateness（遅延量）
• 実行時間
• missed deadline 数 / 連続 missed deadline 数
• queue 深さ / ドロップ数
• DPC / ISR スパイク
• page fault
• 温度 / クロック変動

6.2 p99 / p99.9 / max の見方

• 平均：全体の傾向。大きな遅延は埋もれやすい
• p99：1000サンプル中、遅い方10件を除いた上限
• p99.9：1000サンプル中、遅い方1件を除いた上限
• max：最悪値

「普段は大丈夫だがときどき引っかかる」を見るには p99 / p99.9 / max が必須。

6.3 使う道具

• アプリ内計測：まず自前で period、lateness、execution time、queue depth を取る
• ETW / WPR / WPA：CPU、context switch、DPC/ISR、page fault を見る
• LatencyMon：ドライバ起因の揺れのあたりを付ける
• 温度/クロック監視：サーマルスロットリングの影響を見る

6.4 テスト条件

以下の条件を分けてテストする：

• 起動直後（ウォームアップ前） / ウォームアップ後
• 長時間連続運転
• UI前面 / UI最小化・非表示
• AC給電 / バッテリー駆動
• ネットワークやディスク負荷あり

7. ざっくり使い分け

8. まとめ

実務での改善順：

1. 周期ループが Sleep 任せになっていないか
2. fast path と slow path が分かれているか
3. キューが固定長で、あふれ時の方針が決まっているか
4. fast path にI/O、割り当て、重いロックが入っていないか
5. 優先度やMMCSSを必要なスレッドだけに使っているか
6. 電源設定と計測を揃えているか

普通の Windows でも、設計・待機方法・電源設定・計測を揃えれば soft real-time として十分実用的になる。

9. 参考資料

• Multimedia Class Scheduler Service
• AvSetMmThreadCharacteristicsW function
• SetThreadPriority function
• SetPriorityClass function
• timeBeginPeriod function
• CreateWaitableTimerExW function
• Acquiring high-resolution time stamps
• GetSystemTimePreciseAsFileTime function
• SetProcessInformation function
• VirtualLock function
• CPU Sets
• SetThreadIdealProcessor function
• SetThreadAffinityMask function
• Processor power management options
• Windows PCの電源モードを変更する
• CPU の分析 (WPA / WPT)
• Stopwatch Class