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 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
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,单位为秒级别。 |
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_t |
sizeof 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) |
将 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) |
将 tm 结构体对象转换为字符串的文本 |
char* ctime(const time_t* timer) |
将 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) |
将 time_t 转换成 UTC 表示的时间 |
struct tm* localtime(const time_t* timer) |
将 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。
strftime
和 wcsftime
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。
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。
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()
和 difftime()
函数等sample
代码如下(复制可直接运行):
/* asctime example */ #include /* printf */ #include /* time_t, struct tm, time, localtime, asctime */ #include #include 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:
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:Clocks
,Time points
和 Durations
。
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 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_t | 将 time_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:
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
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,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_add5, 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 type | definition | notes |
---|---|---|
rep | The first template parameter (Rep ) |
Representation type used as the type for the internal count object. |
period | The second template parameter (Period ) |
The ratio type that represents a period in seconds. |
duration
由Rep
类型的计次数和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
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::nanoseconds |
duration*至少 64 位的有符号整数类型*/, std::nano> |
std::chrono::microseconds |
duration*至少 55 位的有符号整数类型*/, std::micro> |
std::chrono::milliseconds |
duration*至少 45 位的有符号整数类型*/, std::milli> |
std::chrono::seconds |
duration*至少 35 位的有符号整数类型*/> |
std::chrono::minutes |
duration*至少 29 位的有符号整数类型*/, std::ratio<60» |
std::chrono::hours |
duration*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& 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 #include #include #include 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(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 /* printf */ #include #include #include 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(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
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