C++日期和時間編程總結

• 一，概述
• 二，C-style 日期和時間庫
  • 2.1，資料型別
  • 2.2，函式
  • 2.3，資料型別與函式關系梳理
  • 2.4，時間型別
    • 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，時間間隔轉換函式 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)這本書并沒有介紹，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淀和技術分享，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，本文的內容著重于 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，但是考慮到版本兼容和程式移植問題，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，位于 頭檔案中，這是原先 <time.h> 頭檔案的 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（使用較為復雜），

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，這對于有高精度要求的程式來說，是不夠的，但這個問題在C++11 中得到了解決，C++11 中不僅擴展了對于精度的要求，也為不同系統的時間要求提供了支持，另一方面，對于只能使用 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> 該頭檔案包含了獲取和操作日期和時間的函式和相關資料型別定義，

2.1，資料型別

2.2，函式

C-style 日期時間庫中包含的時間操作函式如下：

時間轉換函式如下：

localtime 函式使用引數 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 函式一般不常用，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，資料型別與函式關系梳理

時間和日期相關的函式及資料型別比較多，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了如下所示的思維導圖，方便記憶與理解上面所有函式及資料型別之間各自的聯系，

在這幅圖中，以資料型別為中心，帶方向的實線箭頭表示該函式能回傳相應型別的結果，

• clock 函式是相對獨立的一個函式，它回傳行程運行的時間，具體描述見下文，
• time_t 描述了紀元時間，通過 time 函式可以獲得它，但它只能精確到秒級別，
• timespec 型別在 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 是日歷型別，因為它其中包含了年月日等資訊，通過 gmtime，localtime 和 mktime 函式可以將 time_t 和 tm 型別互相轉換，
• 考慮到時區的差異，因此存在 gmtime 和 localtime 兩個函式，
• 無論是 time_t 還是 tm 結構，都可以將其以字串格式輸出，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 函式，

2.4，時間型別

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，在時刻上盡量接近于格林威治標準時間，

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，例如中國當地時間采用了北京標準時間（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），它在作業系統和檔案格式中被廣泛使用，**** 頭檔案中通過 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，

為什么選這個時間作為起點，可以點擊這里：Why is 1/1/1970 the “epoch time”?，

通過 time 函式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 (日歷時間: Tue Aug  9 17:59:40 2022)

time 函式接受一個指標，指向要存盤時間的物件，通常可以傳遞一個空指標，然后通過回傳值來接受結果，雖然標準中沒有給出定義，但time_t 通常使用整形值來實作，

2.5，輸出時間和日期

使用 ctime 函式，可以將時間以固定格式的字串的形式列印出來，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() 函式等sample 代碼如下（復制可直接運行）：

/* 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: 將資料從小到大排序
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() 函式: 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() 函式: 將本地時間 tm 結構體物件轉換為字串文本
void astime_test()
{
    time_t raw_time = time(nullptr);  // 獲取當前時刻日歷時間
    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 編譯后，運行程式 ./a.out 后，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 既是頭檔案名字也是子命名空間的名字，chrono 頭檔案下的所有 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 庫里包括三種主要型別：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 表示實作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 的實作不一致，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式和資料型別，如下所示：

每一個時鐘類都有一個 now() 靜態函式來獲取當前時間，回傳的型別由 time_*point 描述，std::chrono::time_point 是模板類，模版類實體如：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型別，

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 不一樣的地方在于，它還提供了兩個靜態函式用來將 time_point 與 std::time_t 來回轉換，

第一篇參考鏈接的文章給出了下面這幅圖來描述 c 風格和 c++11 的幾種時間型別的轉換：

3.3，時長 ratio

為了支持更高精度的系統時鐘，C++11 新增了一個新的頭檔案 <ratio> 和型別，用于自定義時間單位，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，其宣告如下：

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

第一個模板引數 Num (numerator) 表示分子，第二個引數 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 秒等等對于一個具體的 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，頭檔案還包含了：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 = https://www.cnblogs.com/armcvai/archive/2022/12/05/((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 型別的結果，需要先將其轉換成 double，

3.3.1，時長運算

時長物件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式：

3.4，時間間隔 duration

類模板 std::chrono::duration 表示時間間隔，其宣告如下：

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

類成員型別描述：

duration 由 Rep 型別的計次數和Period 型別的計次周期組成，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，存盤于 duration 的資料僅有 Rep 型別的計次數，若 Rep 是浮點數，則 duration 能表示小數的計次數， Period 被包含為時長型別的一部分，且只在不同時長間轉換時使用，

• Rep 表示一種數值型別，用來表示 Period 的數量，比如 int float double (count of ticks)，
• Period 是 std::ratio 型別，用來表示【用秒表示的時間單位】比如 second milisecond (a tick period)，
• 成員函式 count() 回傳 Rep 型別的 Period 數量，

常用的 duration<Rep, Period> 已經定義好了，在 std::chrono 頭檔案中，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() 成員函式回傳時間間隔的具體數值，

3.4.1，時間間隔轉換函式 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 函式來換 duration 型別，其宣告如下：

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

其定義比較復雜，但是我們日常使用可以直接使用 auto 推導函式回傳物件型別，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，只要它能用計算機時鐘表示，其包含了時鐘和時長兩個資訊，它被實作成如同存盤一個 Duration 型別的自 Clock 的紀元起始開始的時間間隔的值，其宣告如下：

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

時鐘的 now() 函式回傳的值就是一個時間點，time_point 中的 time_since_epoch() 回傳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++ 頭檔案內容官方英文版資料

標籤：其他

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