C++日期和时间编程总结｜程序性能优化基础

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

2.2，函数

C-style 日期时间库中包含的时间操作函数如下：

时间转换函数如下：

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]*/
};
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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。**** 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)
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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
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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);
}
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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：

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：

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();
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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。

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;
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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
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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
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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：

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;
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类成员类型描述：

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;
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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);
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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<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
}
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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;
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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<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
}
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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

• C++ 日期和时间编程
• C++日期和时间工具
• C++ 头文件内容官方英文版资料