C++日期和時間編程總結

• 一，概述
• 二，C-style 日期和時間庫
  • 2.1，數據類型
  • 2.2，函數
  • 2.3，數據類型與函數關係梳理
  • 2.4，時間類型
    • 2.4.1，UTC 時間
    • 2.4.2，本地時間
    • 2.4.3，紀元時間
  • 2.5，輸出時間和日期
  • 2.6，綜合示例代碼
• 三，chrono 庫
  • 3.1，時鐘
  • 3.2，與C-style轉換
  • 3.3，時長 ratio
    • 3.3.1，時長運算
  • 3.4，時間間隔 duration
    • 3.4.1，時間間隔轉換函數 duration_cast
  • 3.5，時間點 time_point
    • 3.5.1，時間點運算
• 參考資料

C++11 的日期和時間編程內容在 C++ Primer(第五版)這本書並沒有介紹，目前網上的文章又大多質量堪憂或者不成系統，故寫下這篇文章用作自己的技術沉澱和技術分享，大部分內容來自網上資料，文末也給出了參考鏈接。

日期和時間庫是每個編程語言都會提供的內部庫，其可以用列印模塊耗時，從而方便做性能分析，也可以用作列印運行時間點。本文的內容著重於 C++11-C++17的內容，C++20的日期和時鐘庫雖然使用更方便也更強大，但是考慮到版本相容和程式移植問題，故不做深入探討。

一，概述

C++ 中可以使用的日期時間 API 分為兩類：

• C-style 日期時間庫，位於 頭文件中。這是原先 <time.h> 頭文件的 C++ 版本。
• chrono 庫：C++ 11 中新增API，增加了時間點，時長和時鐘等相關介面（使用較為複雜）。

在 C++11 之前，C++ 編程只能使用 C-style 日期時間庫，其精度只有秒級別，這對於有高精度要求的程式來說，是不夠的。但這個問題在C++11 中得到瞭解決，C++11 中不僅擴展了對於精度的要求，也為不同系統的時間要求提供了支持。另一方面，對於只能使用 C-style 日期時間庫的程式來說，C++17 中也增加了 timespec 將精度提升到了納秒級別。

二，C-style 日期和時間庫

#include <ctime> 該頭文件包含了獲取和操作日期和時間的函數和相關數據類型定義。

2.1，數據類型

2.2，函數

C-style 日期時間庫中包含的時間操作函數如下：

時間轉換函數如下：

localtime 函數使用參數 timer 指向的值來填充 tm 結構體，其中的值表示對應的時間，以本地時區表示。

strftime 和 wcsftime 函數一般不常用，故不做介紹。tm 結構體的一般定義如下：

/* 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，數據類型與函數關係梳理

時間和日期相關的函數及數據類型比較多，單純看表格和代碼不是很好記憶，第一個參考鏈接的作者給出瞭如下所示的思維導圖，方便記憶與理解上面所有函數及數據類型之間各自的聯繫。

在這幅圖中，以數據類型為中心，帶方向的實線箭頭表示該函數能返回相應類型的結果。

• clock 函數是相對獨立的一個函數，它返回進程運行的時間，具體描述見下文。
• time_t 描述了紀元時間，通過 time 函數可以獲得它，但它只能精確到秒級別。
• timespec 類型在 time_t 的基礎上，增加了納秒的精度，通過 timespec_get 獲取。這是 C++17 上新增的特性。
• tm 是日曆類型，因為它其中包含了年月日等信息。通過 gmtime，localtime 和 mktime 函數可以將 time_t 和 tm 類型互相轉換。
• 考慮到時區的差異，因此存在 gmtime 和 localtime 兩個函數。
• 無論是 time_t 還是 tm 結構，都可以將其以字元串格式輸出。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。

2.4，時間類型

2.4.1，UTC 時間

協調世界時（Coordinated Universial Time，簡稱 UTC）是最主要的時間標準，其以原子時秒長為基礎，在時刻上儘量接近於格林威治標準時間。

協調世界時是世界上調節時鐘和時間的主要時間標準，它與0度經線的平太陽時相差不超過 1 秒。因此UTC時間+8即可獲得北京標準時間（UTC+8）。

2.4.2，本地時間

本地時間與當地的時區相關，例如中國當地時間採用了北京標準時間（UTC+8）。

2.4.3，紀元時間

紀元時間（Epoch time）又叫做 Unix 時間或者 POSIX 時間。它表示自1970 年 1 月 1 日 00:00 UTC 以來所經過的秒數（不考慮閏秒）。它在操作系統和文件格式中被廣泛使用。**** 頭文件中通過 time_t 以秒級別表示紀元時間。

紀元時間這個想法很簡單：以一個時間為起點加上一個偏移量便可以表達任何一個其他的時間。

為什麼選這個時間作為起點，可以點擊這裡：Why is 1/1/1970 the “epoch time”?。

通過 time 函數獲取當前時刻的紀元時間示例代碼如下：

time_t epoch_time = time(nullptr);
cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
// Epoch time: 1660039180 (日曆時間: Tue Aug  9 17:59:40 2022)

time 函數接受一個指針，指向要存儲時間的對象，通常可以傳遞一個空指針，然後通過返回值來接受結果。雖然標準中沒有給出定義，但time_t 通常使用整形值來實現。

2.5，輸出時間和日期

使用 ctime 函數，可以將時間以固定格式的字元串的形式列印出來，格式為：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。代碼示例如下：

// 以字元串形式輸出當前時間和日期
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() 函數等sample 代碼如下（複製可直接運行）：

/* 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: 將數據從小到大排序
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: 計算時間差，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: 將本地時間 tm 結構體對象轉換為字元串文本
void astime_test()
{
    time_t raw_time = time(nullptr);  // 獲取當前時刻日曆時間
    struct tm* local_timeinfo = localtime(&raw_time);
    printf ( "The current date/time is: %s", asctime (local_timeinfo) );
}

int main()
{
    difftime_test();
    astime_test();
    // 3, 輸出當前紀元時間
    time_t epoch_time = time(nullptr);
    cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
    // 4，以字元串形式輸出當前時間和日期
    time_t now = time(nullptr);
    cout << "Now is: " << ctime(&now);
}

g++ time_demo.cpp -std=c++11 編譯後，運行程式 ./a.out 後，輸出結果：

三，chrono 庫

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

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 引入的日期時間處理庫，chrono 庫里包括三種主要類型：Clocks，Time points 和 Durations 。

3.1，時鐘

C++11 chrono 庫中包含了三種的時鐘類：

system_clock 是當前所在系統的時鐘。因為系統時鐘隨時都可能被調整，所以如果想要計算兩個時間點的時間差，是不推薦使用系統時鐘的。

steady_clock 會保證時間的單調遞增性，只會向前移動不會減少，所以最適合用來度量時間間隔。

high_resolution_clock 表示實現提供的擁有最小計次周期的時鐘。它可以是 system_clock 或 steady_clock 的別名，也可能是第三個獨立時鐘。在不同的標準庫中，high_resolution_clock 的實現不一致，所以官方不建議使用這個時鐘。

這三個時鐘類有一些共同的成員函數和數據類型，如下所示：

每一個時鐘類都有一個 now() 靜態函數來獲取當前時間，返回的類型由 time_*point 描述。std::chrono::time_point 是模板類，模版類實例如：std::chrono::time_pointstd::chrono::steady\_*clock，這樣寫比較長，慶幸的是在 C++11 中可以通過 auto 關鍵字來自動推導變數類型。

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轉換

system_clock 與另外兩個 clock 不一樣的地方在於，它還提供了兩個靜態函數用來將 time_point 與 std::time_t 來迴轉換。

第一篇參考鏈接的文章給出了下麵這幅圖來描述 c 風格和 c++11 的幾種時間類型的轉換：

3.3，時長 ratio

為了支持更高精度的系統時鐘，C++11 新增了一個新的頭文件 <ratio> 和類型，用於自定義時間單位。std::ratio 是一個模板類，提供了編譯期的比例計算功能，為 std::chrono::duration 提供基礎服務。其聲明如下：

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

第一個模板參數 Num (numerator) 表示分子，第二個參數 Denom (denominator) 表示分母。typedef ratio<1, 1000> milli; 表示一千分之一，因為約定了基本計算單位是秒，所以 milli 表示一千分之一秒。所以通過 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 能表達的數值不僅僅是以 10 為基底的，同時也可以表達任意的分數秒，例如：5/7秒，89/23409 秒等等對於一個具體的 ratio 來說，可以通過 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 來完成分數的加減乘除四則運算。例如，想要計算 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，則整形除法結果依然是整形，即小數點右邊部分會被拋棄，因此想要獲取 double 類型的結果，需要先將其轉換成 double。

3.3.1，時長運算

時長對象之間可以進行相加或相減運算。chrono 提供了以下幾個常用時長運算的函數：

3.4，時間間隔 duration

類模板 std::chrono::duration 表示時間間隔，其聲明如下：

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

類成員類型描述：

duration 由 Rep 類型的計次數和Period 類型的計次周期組成，其中計次周期是一個編譯期有理數常量，表示從一個計次到下一個的秒數。存儲於 duration 的數據僅有 Rep 類型的計次數。若 Rep 是浮點數，則 duration 能表示小數的計次數。 Period 被包含為時長類型的一部分，且只在不同時長間轉換時使用。

• Rep 表示一種數值類型，用來表示 Period 的數量，比如 int float double (count of ticks)。
• Period 是 std::ratio 類型，用來表示【用秒錶示的時間單位】比如 second milisecond (a tick period)。
• 成員函數 count() 返回 Rep 類型的 Period 數量。

常用的 duration<Rep, Period> 已經定義好了，在 std::chrono 頭文件中，常用時長單位的代碼如下：

/// 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;

duration 類的 count() 成員函數返回時間間隔的具體數值。

3.4.1，時間間隔轉換函數 duration_cast

因為有各種 duration 表示不同的時長單位，所以 chrono 庫提供了 duration_cast 函數來換 duration 類型，其聲明如下：

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

其定義比較複雜，但是我們日常使用可以直接使用 auto 推導函數返回對象類型，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();
    // 整數時長：要求 duration_cast
    auto int_ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(t2 - t1);
    // 小數時長：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";
    // 程式輸出結果: f() took 1000.23 ms, or 1000 whole milliseconds
}

3.5，時間點 time_point

std::chrono::time_point 表示時間中的一個點（一個具體時間），如上個世紀80年代、你的生日、今天下午、火車出發時間等，只要它能用電腦時鐘錶示。其包含了時鐘和時長兩個信息。它被實現成如同存儲一個 Duration 類型的自 Clock 的紀元起始開始的時間間隔的值。其聲明如下：

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

時鐘的 now() 函數返回的值就是一個時間點。time_point 中的 time_since_epoch() 返回從其時鐘起點開始的時長。可以通過兩個時間點相減計算一個時間間隔，下麵是代碼示例:

#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();
    // 通過兩個時間點相減計算一個時間間隔
    auto time_diff = end - start;
    // 將時間間隔單位轉化為毫秒
    auto duration = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(time_diff);
    cout << "Sqrt Operation cost : " << duration.count() << "ms" << endl;
}

int main()
{
    time_point_test();
    // 程式輸出結果: Sqrt Operation cost : 838ms
}

3.5.1，時間點運算

時間點有加法和減法操作，計算結果和常識一致：時間點 + 時長 = 時間點；時間點 - 時間點 = 時長。

參考資料

• C++ 日期和時間編程
• C++日期和時間工具
• C++ 頭文件內容官方英文版資料