C++11 的日期和時(shí)間編程內(nèi)容在 C++ Primer(第五版)這本書并沒有介紹，目前網(wǎng)上的文章又大多質(zhì)量堪憂或者不成系統(tǒng)，故寫下這篇文章用作自己的技術(shù)沉淀和技術(shù)分享，大部分內(nèi)容來(lái)自網(wǎng)上資料，文末也給出了參考鏈接。

日期和時(shí)間庫(kù)是每個(gè)編程語(yǔ)言都會(huì)提供的內(nèi)部庫(kù)，其可以用打印模塊耗時(shí)，從而方便做性能分析，也可以用作打印運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)。本文的內(nèi)容著重于 C++11-C++17的內(nèi)容，C++20的日期和時(shí)鐘庫(kù)雖然使用更方便也更強(qiáng)大，但是考慮到版本兼容和程序移植問(wèn)題，故不做深入探討。

一，概述

C++ 中可以使用的日期時(shí)間 API 分為兩類：

C-style 日期時(shí)間庫(kù)，位于 頭文件中。這是原先 <time.h> 頭文件的 C++ 版本。 chrono 庫(kù)：C++ 11 中新增API，增加了時(shí)間點(diǎn)，時(shí)長(zhǎng)和時(shí)鐘等相關(guān)接口（使用較為復(fù)雜）。

在 C++11 之前，C++ 編程只能使用 C-style 日期時(shí)間庫(kù)，其精度只有秒級(jí)別，這對(duì)于有高精度要求的程序來(lái)說(shuō)，是不夠的。但這個(gè)問(wèn)題在C++11 中得到了解決，C++11 中不僅擴(kuò)展了對(duì)于精度的要求，也為不同系統(tǒng)的時(shí)間要求提供了支持。另一方面，對(duì)于只能使用 C-style 日期時(shí)間庫(kù)的程序來(lái)說(shuō)，C++17 中也增加了 timespec 將精度提升到了納秒級(jí)別。

二，C-style 日期和時(shí)間庫(kù)

#include <ctime> 該頭文件包含了獲取和操作日期和時(shí)間的函數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)類型定義。

2.1，數(shù)據(jù)類型

2.2，函數(shù)

C-style 日期時(shí)間庫(kù)中包含的時(shí)間操作函數(shù)如下：

時(shí)間轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

localtime 函數(shù)使用參數(shù) timer 指向的值來(lái)填充 tm 結(jié)構(gòu)體，其中的值表示對(duì)應(yīng)的時(shí)間，以本地時(shí)區(qū)表示。

strftime 和 wcsftime 函數(shù)一般不常用，故不做介紹。tm 結(jié)構(gòu)體的一般定義如下：

/* 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，數(shù)據(jù)類型與函數(shù)關(guān)系梳理

時(shí)間和日期相關(guān)的函數(shù)及數(shù)據(jù)類型比較多，單純看表格和代碼不是很好記憶，第一個(gè)參考鏈接的作者給出了如下所示的思維導(dǎo)圖，方便記憶與理解上面所有函數(shù)及數(shù)據(jù)類型之間各自的聯(lián)系。

在這幅圖中，以數(shù)據(jù)類型為中心，帶方向的實(shí)線箭頭表示該函數(shù)能返回相應(yīng)類型的結(jié)果。

clock 函數(shù)是相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)函數(shù)，它返回進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)間，具體描述見下文。 time_t 描述了紀(jì)元時(shí)間，通過(guò) time 函數(shù)可以獲得它，但它只能精確到秒級(jí)別。 timespec 類型在 time_t 的基礎(chǔ)上，增加了納秒的精度，通過(guò) timespec_get 獲取。這是 C++17 上新增的特性。 tm 是日歷類型，因?yàn)樗渲邪四暝氯盏刃畔?。通過(guò) gmtime，localtime 和 mktime 函數(shù)可以將 time_t 和 tm 類型互相轉(zhuǎn)換。 考慮到時(shí)區(qū)的差異，因此存在 gmtime 和 localtime 兩個(gè)函數(shù)。 無(wú)論是 time_t 還是 tm 結(jié)構(gòu)，都可以將其以字符串格式輸出。ctime 和 asctime 輸出的格式是固定的。如果需要自定義格式，需要使用 strftime 或者 wcsftime 函數(shù)。

2.4，時(shí)間類型

2.4.1，UTC 時(shí)間

協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universial Time，簡(jiǎn)稱 UTC）是最主要的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，其以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

協(xié)調(diào)世界時(shí)是世界上調(diào)節(jié)時(shí)鐘和時(shí)間的主要時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，它與0度經(jīng)線的平太陽(yáng)時(shí)相差不超過(guò) 1 秒。因此UTC時(shí)間+8即可獲得北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC+8）。

2.4.2，本地時(shí)間

本地時(shí)間與當(dāng)?shù)氐臅r(shí)區(qū)相關(guān)，例如中國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間采用了北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC+8）。

2.4.3，紀(jì)元時(shí)間

紀(jì)元時(shí)間（Epoch time）又叫做 Unix 時(shí)間或者 POSIX 時(shí)間。它表示自1970 年 1 月 1 日 00:00 UTC 以來(lái)所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)（不考慮閏秒）。它在操作系統(tǒng)和文件格式中被廣泛使用。**** 頭文件中通過(guò) time_t 以秒級(jí)別表示紀(jì)元時(shí)間。

紀(jì)元時(shí)間這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：以一個(gè)時(shí)間為起點(diǎn)加上一個(gè)偏移量便可以表達(dá)任何一個(gè)其他的時(shí)間。

為什么選這個(gè)時(shí)間作為起點(diǎn)，可以點(diǎn)擊這里：Why is 1/1/1970 the “epoch time”?。

通過(guò) time 函數(shù)獲取當(dāng)前時(shí)刻的紀(jì)元時(shí)間示例代碼如下：

time_t epoch_time = time(nullptr);
cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
// Epoch time: 1660039180 (日歷時(shí)間: Tue Aug  9 17:59:40 2022)

time 函數(shù)接受一個(gè)指針，指向要存儲(chǔ)時(shí)間的對(duì)象，通?？梢詡鬟f一個(gè)空指針，然后通過(guò)返回值來(lái)接受結(jié)果。雖然標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出定義，但time_t 通常使用整形值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5，輸出時(shí)間和日期

使用 ctime 函數(shù)，可以將時(shí)間以固定格式的字符串的形式打印出來(lái)，格式為：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。代碼示例如下：

// 以字符串形式輸出當(dāng)前時(shí)間和日期
time_t now = time(nullptr);
cout << "Now is: " << ctime(&now);
// Now is: Tue Aug  9 18:06:38 2022

2.6，綜合示例代碼

asctime() 和 difftime() 函數(shù)等sample 代碼如下（復(fù)制可直接運(yùn)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: 將數(shù)據(jù)從小到大排序
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() 函數(shù): 計(jì)算時(shí)間差，單位為 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() 函數(shù): 將本地時(shí)間 tm 結(jié)構(gòu)體對(duì)象轉(zhuǎn)換為字符串文本
void astime_test()
{
    time_t raw_time = time(nullptr);  // 獲取當(dāng)前時(shí)刻日歷時(shí)間
    struct tm* local_timeinfo = localtime(&raw_time);
    printf ( "The current date/time is: %s", asctime (local_timeinfo) );
}

int main()
{
    difftime_test();
    astime_test();
    // 3, 輸出當(dāng)前紀(jì)元時(shí)間
    time_t epoch_time = time(nullptr);
    cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
    // 4，以字符串形式輸出當(dāng)前時(shí)間和日期
    time_t now = time(nullptr);
    cout << "Now is: " << ctime(&now);
}

g++ time_demo.cpp -std=c++11 編譯后，運(yùn)行程序 ./a.out 后，輸出結(jié)果：

三，chrono 庫(kù)

“chrono” 是英文 chronology 的縮寫，其含義是“年表；年代學(xué)”。

chrono 既是頭文件名字也是子命名空間的名字，chrono 頭文件下的所有 elements 都是在 std::chrono 命名空間下定義的。

std::chrono 是 C++11 引入的日期時(shí)間處理庫(kù)，chrono 庫(kù)里包括三種主要類型：Clocks，Time points 和 Durations 。

3.1，時(shí)鐘

C++11 chrono 庫(kù)中包含了三種的時(shí)鐘類：

名稱 說(shuō)明 chrono::system_clock 系統(tǒng)時(shí)鐘（可以調(diào)整） chrono::steady_clock 單調(diào)遞增時(shí)鐘（不能調(diào)整） chrono::high_resolution_clock 擁有可用的最短嘀嗒周期的時(shí)鐘

system_clock 是當(dāng)前所在系統(tǒng)的時(shí)鐘。因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘隨時(shí)都可能被調(diào)整，所以如果想要計(jì)算兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差，是不推薦使用系統(tǒng)時(shí)鐘的。

steady_clock 會(huì)保證時(shí)間的單調(diào)遞增性，只會(huì)向前移動(dòng)不會(huì)減少，所以最適合用來(lái)度量時(shí)間間隔。

high_resolution_clock 表示實(shí)現(xiàn)提供的擁有最小計(jì)次周期的時(shí)鐘。它可以是 system_clock 或 steady_clock 的別名，也可能是第三個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘。在不同的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，high_resolution_clock 的實(shí)現(xiàn)不一致，所以官方不建議使用這個(gè)時(shí)鐘。

這三個(gè)時(shí)鐘類有一些共同的成員函數(shù)和數(shù)據(jù)類型，如下所示：

名稱 說(shuō)明 now() 靜態(tài)成員函數(shù)，返回當(dāng)前時(shí)間，類型為 clock::time_point time_point 成員類型，當(dāng)前時(shí)鐘的時(shí)間點(diǎn)類型，用于表示一個(gè)具體時(shí)間，詳情見下文“時(shí)間點(diǎn)” duration 成員類型，時(shí)鐘的時(shí)長(zhǎng)類型，用于表示時(shí)間間隔(一段時(shí)間)，詳情見下文“時(shí)長(zhǎng)” rep 成員類型，時(shí)鐘的 tick 類型，等同于 clock::duration::rep period 成員類型，時(shí)鐘的單位，等同于 clock::duration::period is_steady 靜態(tài)成員類型：是否是穩(wěn)定時(shí)鐘，對(duì)于 steady_clock 來(lái)說(shuō)該值一定是 true

每一個(gè)時(shí)鐘類都有一個(gè) now() 靜態(tài)函數(shù)來(lái)獲取當(dāng)前時(shí)間，返回的類型由 time_*point 描述。std::chrono::time_point 是模板類，模版類實(shí)例如：std::chrono::time_pointstd::chrono::steady\_*clock，這樣寫比較長(zhǎng)，慶幸的是在 C++11 中可以通過(guò) auto 關(guān)鍵字來(lái)自動(dòng)推導(dǎo)變量類型。

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

3.2，與C-style轉(zhuǎn)換

system_clock 與另外兩個(gè) clock 不一樣的地方在于，它還提供了兩個(gè)靜態(tài)函數(shù)用來(lái)將 time_point 與 std::time_t 來(lái)回轉(zhuǎn)換。

名稱 說(shuō)明 to_time_t 將系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)換為 time_t from_time_t 將 time_t 轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間點(diǎn)

第一篇參考鏈接的文章給出了下面這幅圖來(lái)描述 c 風(fēng)格和 c++11 的幾種時(shí)間類型的轉(zhuǎn)換：

3.3，時(shí)長(zhǎng) ratio

為了支持更高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘，C++11 新增了一個(gè)新的頭文件 <ratio> 和類型，用于自定義時(shí)間單位。std::ratio 是一個(gè)模板類，提供了編譯期的比例計(jì)算功能，為 std::chrono::duration 提供基礎(chǔ)服務(wù)。其聲明如下：

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

第一個(gè)模板參數(shù) Num (numerator) 表示分子，第二個(gè)參數(shù) Denom (denominator) 表示分母。typedef ratio<1, 1000> milli; 表示一千分之一，因?yàn)榧s定了基本計(jì)算單位是秒，所以 milli 表示一千分之一秒。所以通過(guò) ratio 可以表示毫秒、微秒、納秒等。

typedef ratio<1,1000000000> nano; // 納秒單位
typedef ratio<1,1000000> micro; // 微秒單位
typedef ratio<1,1000> milli; // 毫秒單位
typedef ratio<1,1> s // 秒單位

ratio 能表達(dá)的數(shù)值不僅僅是以 10 為基底的，同時(shí)也可以表達(dá)任意的分?jǐn)?shù)秒，例如：5/7秒，89/23409 秒等等對(duì)于一個(gè)具體的 ratio 來(lái)說(shuō)，可以通過(guò) den 獲取分母的值，num 獲取分子的值。不僅僅如此，頭文件還包含了：ratio_add，ratio_subtract，ratio_multiply，ratio_divide 來(lái)完成分?jǐn)?shù)的加減乘除四則運(yùn)算。例如，想要計(jì)算 5/7+59/1023，可以用以下代碼表示：

ratio_add<ratio<5, 7>, ratio<59, 1023>> result;
double value = ((double) result.num) / result.den;
cout << result.num << "/" << result.den << " = " << value << endl;
// 代碼輸出結(jié)果是 5528/7161 = 0.771959

在C++中，如果分子和分母都是整形，則整形除法結(jié)果依然是整形，即小數(shù)點(diǎn)右邊部分會(huì)被拋棄，因此想要獲取 double 類型的結(jié)果，需要先將其轉(zhuǎn)換成 double。

3.3.1，時(shí)長(zhǎng)運(yùn)算

時(shí)長(zhǎng)對(duì)象之間可以進(jìn)行相加或相減運(yùn)算。chrono 提供了以下幾個(gè)常用時(shí)長(zhǎng)運(yùn)算的函數(shù)：

函數(shù) 說(shuō)明 duration_cast 進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換 floor（C++17） 以向下取整的方式，將一個(gè)時(shí)長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)時(shí)長(zhǎng) ceil（C++17） 以向上取整的方式，將一個(gè)時(shí)長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)時(shí)長(zhǎng) round（C++17） 轉(zhuǎn)換時(shí)長(zhǎng)到另一個(gè)時(shí)長(zhǎng)，就近取整，偶數(shù)優(yōu)先 abs（C++17） 獲取時(shí)長(zhǎng)的絕對(duì)值 3.4，時(shí)間間隔 duration

類模板 std::chrono::duration 表示時(shí)間間隔，其聲明如下：

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

類成員類型描述：

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 類型的計(jì)次數(shù)和Period 類型的計(jì)次周期組成，其中計(jì)次周期是一個(gè)編譯期有理數(shù)常量，表示從一個(gè)計(jì)次到下一個(gè)的秒數(shù)。存儲(chǔ)于 duration 的數(shù)據(jù)僅有 Rep 類型的計(jì)次數(shù)。若 Rep 是浮點(diǎn)數(shù)，則 duration 能表示小數(shù)的計(jì)次數(shù)。 Period 被包含為時(shí)長(zhǎng)類型的一部分，且只在不同時(shí)長(zhǎng)間轉(zhuǎn)換時(shí)使用。

Rep 表示一種數(shù)值類型，用來(lái)表示 Period 的數(shù)量，比如 int float double (count of ticks)。 Period 是 std::ratio 類型，用來(lái)表示【用秒表示的時(shí)間單位】比如 second milisecond (a tick period)。 成員函數(shù) count() 返回 Rep 類型的 Period 數(shù)量。

常用的 duration<Rep, Period> 已經(jīng)定義好了，在 std::chrono 頭文件中，常用時(shí)長(zhǎng)單位的代碼如下：

/// 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;

類型 定義 std::chrono::nanoseconds duration</*至少 64 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/, std::nano> std::chrono::microseconds duration</*至少 55 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/, std::micro> std::chrono::milliseconds duration</*至少 45 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/, std::milli> std::chrono::seconds duration</*至少 35 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/> std::chrono::minutes duration</*至少 29 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/, std::ratio<60» std::chrono::hours duration</*至少 23 位的有符號(hào)整數(shù)類型*/, std::ratio<3600»

duration 類的 count() 成員函數(shù)返回時(shí)間間隔的具體數(shù)值。

3.4.1，時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換函數(shù) duration_cast

因?yàn)橛懈鞣N duration 表示不同的時(shí)長(zhǎng)單位，所以 chrono 庫(kù)提供了 duration_cast 函數(shù)來(lái)?yè)Q duration 類型，其聲明如下：

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

其定義比較復(fù)雜，但是我們?nèi)粘Ｊ褂每梢灾苯邮褂?auto 推導(dǎo)函數(shù)返回對(duì)象類型，示例代碼如下：

#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();
    // 整數(shù)時(shí)長(zhǎng)：要求 duration_cast
    auto int_ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(t2 - t1);
    // 小數(shù)時(shí)長(zhǎng)：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";
    // 程序輸出結(jié)果: f() took 1000.23 ms, or 1000 whole milliseconds
}

3.5，時(shí)間點(diǎn) time_point

std::chrono::time_point 表示時(shí)間中的一個(gè)點(diǎn)（一個(gè)具體時(shí)間），如上個(gè)世紀(jì)80年代、你的生日、今天下午、火車出發(fā)時(shí)間等，只要它能用計(jì)算機(jī)時(shí)鐘表示。其包含了時(shí)鐘和時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)信息。它被實(shí)現(xiàn)成如同存儲(chǔ)一個(gè) Duration 類型的自 Clock 的紀(jì)元起始開始的時(shí)間間隔的值。其聲明如下：

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

時(shí)鐘的 now() 函數(shù)返回的值就是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。time_point 中的 time_since_epoch() 返回從其時(shí)鐘起點(diǎn)開始的時(shí)長(zhǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)相減計(jì)算一個(gè)時(shí)間間隔，下面是代碼示例:

#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();
    // 通過(guò)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)相減計(jì)算一個(gè)時(shí)間間隔
    auto time_diff = end - start;
    // 將時(shí)間間隔單位轉(zhuǎn)化為毫秒
    auto duration = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(time_diff);
    cout << "Sqrt Operation cost : " << duration.count() << "ms" << endl;
}

int main()
{
    time_point_test();
    // 程序輸出結(jié)果: Sqrt Operation cost : 838ms
}

3.5.1，時(shí)間點(diǎn)運(yùn)算

時(shí)間點(diǎn)有加法和減法操作，計(jì)算結(jié)果和常識(shí)一致：時(shí)間點(diǎn) + 時(shí)長(zhǎng) = 時(shí)間點(diǎn)；時(shí)間點(diǎn) - 時(shí)間點(diǎn) = 時(shí)長(zhǎng)。

參考資料

 C++ 日期和時(shí)間編程 C++日期和時(shí)間工具 C++ 頭文件內(nèi)容官方英文版資料

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