C++日期和时间编程总结

C++11 的日期和时间编程内容在 C++ Primer(第五版)这本书并没有介绍,目前网上的文章又大多质量堪忧或者不成系统,故写下这篇文章用作自己的技术沉淀和技术分享,大部分内容来自网上资料,文末也给出了参考链接。

日期和时间库是每个编程语言都会提供的内部库,其可以用打印模块耗时,从而方便做性能分析,也可以用作打印运行时间点。本文的内容着重于 C++11-C++17的内容,C++20的日期和时钟库虽然使用更方便也更强大,但是考虑到版本兼容和程序移植问题,故不做深入探讨。

一,概述

C++ 中可以使用的日期时间 API 分为两类:

  • C-style 日期时间库,位于 头文件中。这是原先 <time.h> 头文件的 C++ 版本。
  • chrono 库:C++ 11 中新增API,增加了时间点,时长和时钟等相关接口(使用较为复杂)。

在 C++11 之前,C++ 编程只能使用 C-style 日期时间库,其精度只有秒级别,这对于有高精度要求的程序来说,是不够的。但这个问题在C++11 中得到了解决,C++11 中不仅扩展了对于精度的要求,也为不同系统的时间要求提供了支持。另一方面,对于只能使用 C-style 日期时间库的程序来说,C++17 中也增加了 timespec 将精度提升到了纳秒级别。

二,C-style 日期和时间库

#include <ctime> 该头文件包含了获取和操作日期和时间的函数和相关数据类型定义。

2.1,数据类型

名称说明
time_t能够表示时间的基本算术类型的别名,能够表示函数 time 返回的时间,单位为级别。
clock_t能够表示时钟滴答计数的基本算术类型的别名(可用作进程运行时间)
size_tsizeof 运算符返回的无符号整数类型。
struct tm包含日历日期和时间的结构体类型
timespec*以秒和纳秒表示的时间

2.2,函数

C-style 日期时间库中包含的时间操作函数如下:

函数说明
std::clock_t clock()返回自程序启动时起的处理器时钟时间
double difftime(std::time_t time_end, std::time_t time_beg)计算开始和结束之间的秒数差
std::time_t time (time_t* timer)返回自纪元起计的系统当前时间, 函数可以为空指针
std::time_t mktime (struct tm * timeptr)tm 格式的时间转换成 time_t 表示的时间

时间转换函数如下:

函数说明
char* asctime(const struct tm* timeptr)tm 结构体对象转换为字符串的文本
char* ctime(const time_t* timer)time_t 对象转换为 C 字符串,用于表示日历时间
struct tm* gmtime(const time_t* time)time_t 转换成 UTC 表示的时间
struct tm* localtime(const time_t* timer)time_t 转换成本地时间

localtime 函数使用参数 timer 指向的值来填充 tm 结构体,其中的值表示对应的时间,以本地时区表示。

strftimewcsftime 函数一般不常用,故不做介绍。tm 结构体的一般定义如下:

/* Used by other time functions.  */
struct tm
{
  int tm_sec;			/* Seconds.	[0-60] (1 leap second) */
  int tm_min;			/* Minutes.	[0-59] */
  int tm_hour;			/* Hours.	[0-23] */
  int tm_mday;			/* Day.		[1-31] */
  int tm_mon;			/* Month.	[0-11] */
  int tm_year;			/* Year	- 1900.  */
  int tm_wday;			/* Day of week.	[0-6] */
  int tm_yday;			/* Days in year.[0-365]	*/
  int tm_isdst;			/* DST.		[-1/0/1]*/
};

2.3,数据类型与函数关系梳理

时间和日期相关的函数及数据类型比较多,单纯看表格和代码不是很好记忆,第一个参考链接的作者给出了如下所示的思维导图,方便记忆与理解上面所有函数及数据类型之间各自的联系。

《C++日期和时间编程总结》

在这幅图中,以数据类型为中心,带方向的实线箭头表示该函数能返回相应类型的结果。

  • clock 函数是相对独立的一个函数,它返回进程运行的时间,具体描述见下文。
  • time_t 描述了纪元时间,通过 time 函数可以获得它,但它只能精确到秒级别。
  • timespec 类型在 time_t 的基础上,增加了纳秒的精度,通过 timespec_get 获取。这是 C++17 上新增的特性。
  • tm 是日历类型,因为它其中包含了年月日等信息。通过 gmtime,localtime 和 mktime 函数可以将 time_t 和 tm 类型互相转换。
  • 考虑到时区的差异,因此存在 gmtime 和 localtime 两个函数。
  • 无论是 time_t 还是 tm 结构,都可以将其以字符串格式输出。ctime 和 asctime 输出的格式是固定的。如果需要自定义格式,需要使用 strftime 或者 wcsftime 函数。

2.4,时间类型

2.4.1,UTC 时间

协调世界时Coordinated Universial Time,简称 UTC)是最主要的时间标准,其以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于格林威治标准时间。

协调世界时是世界上调节时钟和时间的主要时间标准,它与0度经线的平太阳时相差不超过 1 秒。因此UTC时间+8即可获得北京标准时间(UTC+8)。

2.4.2,本地时间

本地时间与当地的时区相关,例如中国当地时间采用了北京标准时间(UTC+8)。

2.4.3,纪元时间

纪元时间(Epoch time)又叫做 Unix 时间或者 POSIX 时间。它表示自1970 年 1 月 1 日 00:00 UTC 以来所经过的秒数(不考虑闰秒)。它在操作系统和文件格式中被广泛使用。 **** 头文件中通过 time_t 以秒级别表示纪元时间

纪元时间这个想法很简单:以一个时间为起点加上一个偏移量便可以表达任何一个其他的时间。

为什么选这个时间作为起点,可以点击这里:Why is 1/1/1970 the “epoch time”?

通过 time 函数获取当前时刻的纪元时间示例代码如下:

time_t epoch_time = time(nullptr);
cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
// Epoch time: 1660039180 (日历时间: Tue Aug  9 17:59:40 2022)

time 函数接受一个指针,指向要存储时间的对象,通常可以传递一个空指针,然后通过返回值来接受结果。虽然标准中没有给出定义,但time_t 通常使用整形值来实现。

2.5,输出时间和日期

使用 ctime 函数,可以将时间以固定格式的字符串的形式打印出来,格式为:Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。代码示例如下:

// 以字符串形式输出当前时间和日期
time_t now = time(nullptr);
cout << "Now is: " << ctime(&now);
// Now is: Tue Aug  9 18:06:38 2022

2.6,综合示例代码

asctime()difftime() 函数等sample 代码如下(复制可直接运行):

/* asctime example */
#include <stdio.h>      /* printf */
#include <time.h>       /* time_t, struct tm, time, localtime, asctime */
#include <vector>
#include <iostream>

using namespace std;

// 冒泡排序: 将数据从小到大排序
void bubbleSort(vector<int> &arr){
    size_t number = arr.size();
    if (number <= 1) return;
    int temp;
    for(int i = 0; i < number; i++){
        for(int j = 0; j < number-i; j++){
            if (temp > arr[j+1]){
                temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = temp;
            }
        }
    }
}

// difftime() 函数: 计算时间差,单位为 s
void difftime_test()
{
    vector<int> input_array;
    for (int i = 90000; i > 0; i--) {
        input_array.emplace_back(i);
    }
    time_t time1 = time(nullptr);
    bubbleSort(input_array);
    time_t time2 = time(nullptr);
    double time_diff = difftime(time2, time1);
    cout << "input array size is " << input_array.size() << " after bubbleSort time_diff: " << time_diff << "s" << endl;
}

// astime() 函数: 将本地时间 tm 结构体对象转换为字符串文本
void astime_test()
{
    time_t raw_time = time(nullptr);  // 获取当前时刻日历时间
    struct tm* local_timeinfo = localtime(&raw_time);
    printf ( "The current date/time is: %s", asctime (local_timeinfo) );
}

int main()
{
    difftime_test();
    astime_test();
    // 3, 输出当前纪元时间
    time_t epoch_time = time(nullptr);
    cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
    // 4,以字符串形式输出当前时间和日期
    time_t now = time(nullptr);
    cout << "Now is: " << ctime(&now);
}

g++ time_demo.cpp -std=c++11 编译后,运行程序 ./a.out 后,输出结果:

《C++日期和时间编程总结》

三,chrono 库

“chrono” 是英文 chronology 的缩写,其含义是“年表;年代学”。

chrono 既是头文件名字也是子命名空间的名字,chrono 头文件下的所有 elements 都是在 std::chrono 命名空间下定义的。

std::chrono 是 C++11 引入的日期时间处理库,chrono 库里包括三种主要类型:ClocksTime pointsDurations

《C++日期和时间编程总结》

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3.1,时钟

C++11 chrono 库中包含了三种的时钟类:

名称说明
chrono::system_clock系统时钟(可以调整)
chrono::steady_clock单调递增时钟(不能调整)
chrono::high_resolution_clock拥有可用的最短嘀嗒周期的时钟

system_clock 是当前所在系统的时钟。因为系统时钟随时都可能被调整,所以如果想要计算两个时间点的时间差,是不推荐使用系统时钟的。

steady_clock 会保证时间的单调递增性,只会向前移动不会减少,所以最适合用来度量时间间隔

high_resolution_clock 表示实现提供的拥有最小计次周期的时钟。它可以是 system_clock 或 steady_clock 的别名,也可能是第三个独立时钟。在不同的标准库中,high_resolution_clock 的实现不一致,所以官方不建议使用这个时钟。

这三个时钟类有一些共同的成员函数和数据类型,如下所示:

名称说明
now()静态成员函数,返回当前时间,类型为 clock::time_point
time_point成员类型,当前时钟的时间点类型,用于表示一个具体时间,详情见下文“时间点”
duration成员类型,时钟的时长类型,用于表示时间间隔(一段时间),详情见下文“时长”
rep成员类型,时钟的 tick 类型,等同于 clock::duration::rep
period成员类型,时钟的单位,等同于 clock::duration::period
is_steady静态成员类型:是否是稳定时钟,对于 steady_clock 来说该值一定是 true

每一个时钟类都有一个 now() 静态函数来获取当前时间,返回的类型由 time_*point 描述。std::chrono::time_point 是模板类,模版类实例如:std::chrono::time_pointstd::chrono::steady\_*clock,这样写比较长,庆幸的是在 C++11 中可以通过 auto 关键字来自动推导变量类型。

std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> now1 = std::chrono::steady_clock::now();
auto now2 = std::chrono::steady_clock::now();

3.2,与C-style转换

system_clock 与另外两个 clock 不一样的地方在于,它还提供了两个静态函数用来将 time_point 与 std::time_t 来回转换。

名称说明
to_time_t将系统时钟时间点转换为 time_t
from_time_ttime_t 转换到系统时钟时间点

第一篇参考链接的文章给出了下面这幅图来描述 c 风格和 c++11 的几种时间类型的转换:

《C++日期和时间编程总结》

3.3,时长 ratio

为了支持更高精度的系统时钟,C++11 新增了一个新的头文件 <ratio> 和类型,用于自定义时间单位。std::ratio 是一个模板类,提供了编译期的比例计算功能,为 std::chrono::duration 提供基础服务。其声明如下:

template<
    std::intmax_t Num,
    std::intmax_t Denom = 1
> class ratio;

第一个模板参数 Num (numerator) 表示分子,第二个参数 Denom (denominator) 表示分母。typedef ratio<1, 1000> milli; 表示一千分之一,因为约定了基本计算单位是秒,所以 milli 表示一千分之一秒。所以通过 ratio 可以表示毫秒、微秒、纳秒等

typedef ratio<1,1000000000> nano; // 纳秒单位
typedef ratio<1,1000000> micro; // 微秒单位
typedef ratio<1,1000> milli; // 毫秒单位
typedef ratio<1,1> s // 秒单位

ratio 能表达的数值不仅仅是以 10 为基底的,同时也可以表达任意的分数秒,例如:5/7秒,89/23409 秒等等对于一个具体的 ratio 来说,可以通过 den 获取分母的值,num 获取分子的值。不仅仅如此, 头文件还包含了: ratio_add,ratio_subtract,ratio_multiply,ratio_divide 来完成分数的加减乘除四则运算。例如,想要计算 5/7+59/1023,可以用以下代码表示:

ratio_add<ratio<5, 7>, ratio<59, 1023>> result;
double value = ((double) result.num) / result.den;
cout << result.num << "/" << result.den << " = " << value << endl;
// 代码输出结果是 5528/7161 = 0.771959

在C++中,如果分子和分母都是整形,则整形除法结果依然是整形,即小数点右边部分会被抛弃,因此想要获取 double 类型的结果,需要先将其转换成 double

3.3.1,时长运算

时长对象之间可以进行相加或相减运算。chrono 提供了以下几个常用时长运算的函数

函数说明
duration_cast进行时长的转换
floor(C++17)以向下取整的方式,将一个时长转换为另一个时长
ceil(C++17)以向上取整的方式,将一个时长转换为另一个时长
round(C++17)转换时长到另一个时长,就近取整,偶数优先
abs(C++17)获取时长的绝对值

3.4,时间间隔 duration

类模板 std::chrono::duration 表示时间间隔,其声明如下:

template<
    class Rep,
    class Period = std::ratio<1>
> class duration;

类成员类型描述:

member typedefinitionnotes
repThe first template parameter (Rep)Representation type used as the type for the internal count object.
periodThe second template parameter (Period)The ratio type that represents a period in seconds.

durationRep 类型的计次数Period 类型的计次周期组成,其中计次周期是一个编译期有理数常量,表示从一个计次到下一个的秒数。存储于 duration 的数据仅有 Rep 类型的计次数。若 Rep 是浮点数,则 duration 能表示小数的计次数。 Period 被包含为时长类型的一部分,且只在不同时长间转换时使用。

  • Rep 表示一种数值类型,用来表示 Period 的数量,比如 int float double (count of ticks)。
  • Period 是 std::ratio 类型,用来表示【用秒表示的时间单位】比如 second milisecond (a tick period)。
  • 成员函数 count() 返回 Rep 类型的 Period 数量。

常用的 duration<Rep, Period> 已经定义好了,在 std::chrono 头文件中,常用时长单位的代码如下:

/// nanoseconds
typedef duration<int64_t, nano> 	nanoseconds;
/// microseconds
typedef duration<int64_t, micro> 	microseconds;
/// milliseconds
typedef duration<int64_t, milli> 	milliseconds;
/// seconds
typedef duration<int64_t> 		seconds;
/// minutes
typedef duration<int, ratio< 60>> 	minutes;
/// hours
typedef duration<int, ratio<3600>> 	hours;
类型定义
std::chrono::nanosecondsduration</*至少 64 位的有符号整数类型*/, std::nano>
std::chrono::microsecondsduration</*至少 55 位的有符号整数类型*/, std::micro>
std::chrono::millisecondsduration</*至少 45 位的有符号整数类型*/, std::milli>
std::chrono::secondsduration</*至少 35 位的有符号整数类型*/>
std::chrono::minutesduration</*至少 29 位的有符号整数类型*/, std::ratio<60»
std::chrono::hoursduration</*至少 23 位的有符号整数类型*/, std::ratio<3600»

duration 类的 count() 成员函数返回时间间隔的具体数值。

3.4.1,时间间隔转换函数 duration_cast

因为有各种 duration 表示不同的时长单位,所以 chrono 库提供了 duration_cast 函数来换 duration 类型,其声明如下:

template <class ToDuration, class Rep, class Period>
constexpr ToDuration duration_cast(const duration<Rep,Period>& d);

其定义比较复杂,但是我们日常使用可以直接使用 auto 推导函数返回对象类型,示例代码如下:

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <ratio>
#include <thread>
 
void f()
{
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
 
int main()
{
    auto t1 = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    f();
    auto t2 = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    // 整数时长:要求 duration_cast
    auto int_ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(t2 - t1);
    // 小数时长:不要求 duration_cast
    std::chrono::duration<double, std::milli> fp_ms = t2 - t1;
    std::cout << "f() took " << fp_ms.count() << " ms, "
              << "or " << int_ms.count() << " whole milliseconds\n";
    // 程序输出结果: f() took 1000.23 ms, or 1000 whole milliseconds
}

3.5,时间点 time_point

std::chrono::time_point 表示时间中的一个点(一个具体时间),如上个世纪80年代、你的生日、今天下午、火车出发时间等,只要它能用计算机时钟表示。其包含了时钟和时长两个信息。它被实现成如同存储一个 Duration 类型的自 Clock 的纪元起始开始的时间间隔的值。其声明如下:

template<
    class Clock,
    class Duration = typename Clock::duration
> class time_point;

时钟的 now() 函数返回的值就是一个时间点。time_point 中的 time_since_epoch() 返回从其时钟起点开始的时长。可以通过两个时间点相减计算一个时间间隔,下面是代码示例:

#include <stdio.h>      /* printf */
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <math.h>

using namespace std;

void time_point_test()
{
    auto start = chrono::steady_clock::now();
    double sum = 0;
    for(int i = 0; i < 100000000; i++) {
        sum += sqrt(i);
    }
    auto end = chrono::steady_clock::now();
    // 通过两个时间点相减计算一个时间间隔
    auto time_diff = end - start;
    // 将时间间隔单位转化为毫秒
    auto duration = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(time_diff);
    cout << "Sqrt Operation cost : " << duration.count() << "ms" << endl;
}

int main()
{
    time_point_test();
    // 程序输出结果: Sqrt Operation cost : 838ms
}

3.5.1,时间点运算

时间点有加法和减法操作,计算结果和常识一致:时间点 + 时长 = 时间点;时间点 – 时间点 = 时长。

参考资料

    原文作者:嵌入式视觉
    原文地址: https://www.cnblogs.com/armcvai/p/16952350.html
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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