C++日期和时间编程小结

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

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：

struct tm
{
  int tm_sec;			
  int tm_min;			
  int tm_hour;			
  int tm_mday;			
  int tm_mon;			
  int tm_year;			
  int tm_wday;			
  int tm_yday;			
  int tm_isdst;			
};

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)

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）：

#include <stdio.h>      
#include <time.h>       
#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：

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<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_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 <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 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<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::nanoseconds duration<, std::nano> std::chrono::microseconds duration<, std::micro> std::chrono::milliseconds duration<, std::milli> std::chrono::seconds duration<> std::chrono::minutes duration<, std::ratio<60» std::chrono::hours duration<, 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>      
#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

 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

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