C++ 时间函数

C++标准中的chrono库

chrono是一个关于时间的库，起源于boost，现在是C++的标准，现在的C++标准好多都是源于boost，要进标准的特性似乎都会先在boost试验一番。
首先看一下使用chrono简单计时的示例代码

  1. void func() {  // 计时
  2.    std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> begin = high_resolution_clock::now();
  3.    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(20));
  4.    auto end = high_resolution_clock::now();
  5.    cout << "time " << duration_cast<milliseconds>(end - begin).count() << endl;
  6. }

chrono中有三个概念duration、time_point、clock

duration：表示一段时间，三分钟、三秒等

它的定义如下：

  1. template <class _Rep, class _Period = ratio<1>> class duration;

ratio的定义如下：

  1. template <intmax_t N, intmax_t D = 1> class ratio;

Rep表示数据类型，int，long等，Period表示时间单位，N是分子，D是分母，直接看例子：

  1. using atto  = ratio<1, 1000000000000000000LL>;
  2. using femto = ratio<1, 1000000000000000LL>;
  3. using pico  = ratio<1, 1000000000000LL>;
  4. using nano  = ratio<1, 1000000000>;
  5. using micro = ratio<1, 1000000>;
  6. using milli = ratio<1, 1000>;
  7. using centi = ratio<1, 100>;
  8. using deci  = ratio<1, 10>;
  9. using deca  = ratio<10, 1>;
  10. using hecto = ratio<100, 1>;
  11. using kilo  = ratio<1000, 1>;
  12. using mega  = ratio<1000000, 1>;
  13. using giga  = ratio<1000000000, 1>;
  14. using tera  = ratio<1000000000000LL, 1>;
  15. using peta  = ratio<1000000000000000LL, 1>;
  16. using exa   = ratio<1000000000000000000LL, 1>;
  18. using nanoseconds  = duration<long long, nano>;
  19. using microseconds = duration<long long, micro>;
  20. using milliseconds = duration<long long, milli>;
  21. using seconds      = duration<long long>;
  22. using minutes      = duration<int, ratio<60>>;
  23. using hours        = duration<int, ratio<3600>>;
  25. using hours2       = duration<int, ratio<3600, 1>>;
  26. using hours2       = duration<int, ratio<7200, 2>>;

看完上述例子可以知道，ratio的默认的时间单位是1秒，以小时为例，一小时等于3600秒，3600 / 1 == 7200 / 2 == 3600，所以hours == hours2 == hours3。
标准库还提供了duration_cast用于转换各种duration。

  1. template <class _To, class _Rep, class _Period, enable_if_t<_Is_duration_v<_To>, int> = 0>
  2.    constexpr _To duration_cast(const duration<_Rep, _Period>&) noexcept(
  3.    is_arithmetic_v<_Rep>&& is_arithmetic_v<typename _To::rep>);
  5. template <class _Ty>
  6.    _INLINE_VAR constexpr bool _Is_duration_v = _Is_specialization_v<_Ty, duration>;
  8. template <class _Ty>
  9. _INLINE_VAR constexpr bool is_arithmetic_v = // determine whether _Ty is an arithmetic type
  10.    is_integral_v<_Ty> || is_floating_point_v<_Ty>;

函数看着繁琐，直接看看示例代码：

  1. void func() {
  2.    auto sec = std::chrono::seconds(10);
  3.    auto mill = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(sec);
  4.    cout << sec.count() << endl; // 返回多少s
  5.    cout << mill.count() << endl; // 返回多少ms
  6. }
  7. 输出：
  8. 10
  9. 10000

time_point：用来表示某个具体时间点。

定义如下：

  1. template <class _Clock, class _Duration = typename _Clock::duration>
  2.    class time_point;

使用方式如下：

  1. void func() {
  2.    std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock, std::chrono::milliseconds> tp(std::chrono::seconds(12));
  3.    cout << tp.time_since_epoch().count() << endl;
  4.    std::time_t t = system_clock::to_time_t(tp);
  5.    cout << "time " << ctime(&t) << endl;
  6. }
  7. 输出：
  8. 12000
  9. time Thu Jan  1 08:00:12 1970

这里有个函数time_since_epoch()，表示这个time_point距离元年也就是1970年1月1日所经过的duration。
time_point也有各种表示方式，类似于duration，也提供了转换函数time_point_cast()。

  1. void func() {
  2.     time_point<system_clock, milliseconds> tp(seconds(12));
  3.     cout << tp.time_since_epoch().count() << endl;
  4.     time_point<system_clock, seconds> tp2 = time_point_cast<seconds>(tp);
  5.     cout << tp2.time_since_epoch().count() << endl;
  6. }
  7. 输出:
  8. 12000
  9. 12

Clocks

这里的时钟大体有三种：
system_clock
steady_clock
high_resolution_clock

system_clock表示当前的系统时钟

system_clock有三个函数：

  1. now()：表示当前时间的time_point
  2. to_time_t()：将time_point转换成time_t秒
  3. from_time_t()：将time_t转换成time_point

源码如下：

  1. struct system_clock { // wraps GetSystemTimePreciseAsFileTime/GetSystemTimeAsFileTime
  2.     using rep = long long;
  4.     using period = ratio_multiply<ratio<_XTIME_NSECS_PER_TICK, 1>, nano>;
  6.     using duration                  = chrono::duration<rep, period>;
  7.     using time_point                = chrono::time_point<system_clock>;
  8.     static constexpr bool is_steady = false;
  10.     _NODISCARD static time_point now() noexcept { // get current time
  11.         return time_point(duration(_Xtime_get_ticks()));
  12.     }
  14.     _NODISCARD static __time64_t to_time_t(const time_point& _Time) noexcept { // convert to __time64_t
  15.         return static_cast<__time64_t>(_Time.time_since_epoch().count() / _XTIME_TICKS_PER_TIME_T);
  16.     }
  18.     _NODISCARD static time_point from_time_t(__time64_t _Tm) noexcept { // convert from __time64_t
  19.         return time_point(duration(_Tm * _XTIME_TICKS_PER_TIME_T));
  20.     }
  21. };

steady_clock表示稳定的时钟

它只有一个函数，就是now()，后一次调用now()肯定比上一次调用now()的返回值大，不受系统时间修改的影响。
源码如下：

  1. struct steady_clock { // wraps QueryPerformanceCounter
  2.     using rep                       = long long;
  3.     using period                    = nano;
  4.     using duration                  = nanoseconds;
  5.     using time_point                = chrono::time_point<steady_clock>;
  6.     static constexpr bool is_steady = true;
  8.     _NODISCARD static time_point now() noexcept { // get current time
  9.         const long long _Freq = _Query_perf_frequency(); // doesn't change after system boot
  10.         const long long _Ctr  = _Query_perf_counter();
  11.         static_assert(period::num == 1, "This assumes period::num == 1.");
  12.         const long long _Whole = (_Ctr / _Freq) * period::den;
  13.         const long long _Part  = (_Ctr % _Freq) * period::den / _Freq;
  14.         return time_point(duration(_Whole + _Part));
  15.     }
  16. };

使用方式和之前的都相同：

  1. void func() {  // 计时
  2.     std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> begin = steady_clock::now();
  3.     std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(20));
  4.     auto end = steady_clock::now();
  5.     cout << "time " << duration_cast<milliseconds>(end - begin).count() << endl;
  6. }

high_resolution_clock表示高精度时钟，是系统可用的最高精度的时钟，它其实就是system_clock或者steady_clock的别名：

  1. using high_resolution_clock = steady_clock;

再看C语言下各种时间相关的API

首先可以通过C语言的clock拿到程序执行时处理器所使用的时钟数来计时：

  1. clock_t clock(void);

该函数返回程序执行起（一般为程序的开头），处理器时钟所使用的时间。也获取 CPU 所使用的秒数，除以 CLOCKS_PER_SEC即可，返回的clock_t其实就是long类型的重命名。
使用方式如下：

  1. void func() {
  2.     clock_t start_t = clock();
  3.     cout << start_t << " 个时钟 \n";
  4.     for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
  5.     }
  6.     clock_t end_t = clock();
  7.     cout << end_t << " 个时钟 \n";
  8.     cout << "循环的秒数：" << (double)(end_t - start_t) / CLOCKS_PER_SEC << endl;
  9. }

获取当前时间戳，单位为秒

  1. void func() {  // 获取当前时间戳，单位为秒
  2.     struct timeval time;
  3.     gettimeofday(&time, NULL);
  4.     cout << time.tv_sec << " s \n";
  5. }

也可以使用time函数：

  1. time_t time(time_t *time);

该函数返回系统的当前日历时间，返回的是自1970年1月1日以来所经过的秒数。
time_t其实就是一个整数类型，是int64_t的重命名，该函数直接使用返回值就好，参数一般传空即可。
timer 存取结果的时间指针变量，类型为time_t，指针变量可以为null。
如果timer指针非null，则time()函数返回值变量与timer指针一样，都指向同一个内存地址；
否则如果timer指针为null，则time()函数返回一个time_t变量时间。

  1. void func() {  // 获取当前时间戳，单位为秒
  2.     time_t now = time(NULL);
  3.     cout << static_cast<int64_t>(now) << " s \n";
  4. }

获取当前时间戳，单位为毫秒

  1. void func() {  // 获取当前时间戳，单位为毫秒
  2.     struct timeval time;
  3.     gettimeofday(&time, NULL);
  4.     cout << time.tv_sec * 1000 + time.tv_usec / 1000 << " ms \n";
  5. }

显示当前的系统时间

可以使用ctime显示当前时间：

  1. char* ctime(const time_t* time);

该函数返回一个表示当地时间的字符串指针，输出内容格式如下：

  1. day month year hours:minutes:seconds year\n\0。

示例代码如下：

  1. void func() {
  2.     time_t now = time(NULL);
  3.     char* dt = ctime(&now);
  4.     cout << "cur time is: " << dt;
  5. }
  6. 输出：
  7. Tue Sep 22 22:01:40 2020

可以使用tm结构自定义显示当前时间的格式：

  1. struct tm * localtime(const time_t * timer);

将日历时间转换为本地时间，从1970年起始的时间戳转换为1900年起始的时间数据结构
另一个类似的函数是gmtime函数：

  1. struct tm *gmtime(const time_t *time);

只是该函数返回的是UTC时间，协调世界时（UTC）也被称为格林尼治标准时间（GMT）。
tm结构如下：

  1. struct tm {
  2.   int tm_sec;   // 秒，正常范围从 0 到 59，但允许至 61
  3.   int tm_min;   // 分，范围从 0 到 59
  4.   int tm_hour;  // 小时，范围从 0 到 23
  5.   int tm_mday;  // 一月中的第几天，范围从 1 到 31
  6.   int tm_mon;   // 月，范围从 0 到 11
  7.   int tm_year;  // 自 1900 年起的年数
  8.   int tm_wday;  // 一周中的第几天，范围从 0 到 6，从星期日算起
  9.   int tm_yday;  // 一年中的第几天，范围从 0 到 365，从 1 月 1 日算起
  10.   int tm_isdst; // 夏令时
  11. };

tm_sec 在C89的范围是[0-61]，在C99更正为[0-60]。通常范围是[0-59]，貌似有些系统会出现60秒的跳跃。
tm_mon 是从零开始的，所以一月份为0，十二月份为11。
tm_year是从1900年开始计算，所以显示年份的时候需要加上1900

  1. void func() {
  2.     time_t rawtime = time(NULL);
  3.     struct tm* ptminfo = localtime(&rawtime);
  4.     printf("cur time is: %02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n", ptminfo->tm_year + 1900, ptminfo->tm_mon + 1,
  5.            ptminfo->tm_mday, ptminfo->tm_hour, ptminfo->tm_min, ptminfo->tm_sec);
  6.     ptminfo = gmtime(&rawtime);
  7.     printf("cur time is: %02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n", ptminfo->tm_year + 1900, ptminfo->tm_mon + 1,
  8.            ptminfo->tm_mday, ptminfo->tm_hour, ptminfo->tm_min, ptminfo->tm_sec);
  9. }
  10. 输出：
  11. cur time is: 2020-09-23 21:27:37
  12. cur time is: 2020-09-23 13:27:37

可以通过asctime显示tm结构的时间：

  1. char * asctime ( const struct tm * time );

和ctime类似，返回的都是一个固定时间格式的字符串，只是传入的参数不同。

  1. void func() {
  2.     time_t rawtime = time(NULL);
  3.     struct tm* info1 = localtime(&rawtime);
  4.     cout << "正常 日期和时间：" << asctime(info1) << endl;
  5.     info1 = gmtime(&rawtime);
  6.     cout << "UTC 日期和时间：" << asctime(info1) << endl;
  7. }
  8. 输出：
  9. 正常 日期和时间：Wed Sep 23 21:47:44 2020
  10. UTC 日期和时间：Wed Sep 23 13:47:44 2020

也可以使用strftime()函数，该函数可用于格式化日期和时间为指定的格式，如果产生的 C 字符串小于 size 个字符（包括空结束字符），则会返回复制到 str 中的字符总数（不包括空结束字符），否则返回零。

  1. size_t strftime(
  2.     char *str, // 指向目标数组的指针，用来复制产生的C字符串
  3.     size_t maxsize, // 最多传出字符数量
  4.     const char *format, // 格式化方式
  5.     const struct tm *timeptr // tm指针
  6. );

format格式如下：

  1. %a 星期几的缩写
  2. %A 星期几的全称
  3. %b 月份的缩写
  4. %B 月份的全称
  5. %c 标准的日期的时间串
  6. %C 年份的前两位数字
  7. %d 十进制表示的每月的第几天（值从1到31）
  8. %D 月/天/年
  9. %e 在两字符域中，十进制表示的每月的第几天
  10. %F 年-月-日
  11. %g 年份的后两位数字，使用基于周的年
  12. %G 年份，使用基于周的年
  13. %h 简写的月份名
  14. %H 24小时制的小时（值从0到23）
  15. %I 12小时制的小时（值从1到12）
  16. %j 十进制表示的每年的第几天（值从1到366）
  17. %m 十进制表示的月份（值从1到12）
  18. %M 十时制表示的分钟数（值从0到59）
  19. %n 换行符
  20. %p 本地的AM或PM的等价显示
  21. %r 12小时的时间
  22. %R 显示小时和分钟：hh:mm
  23. %S 十进制的秒数（值从0到61）
  24. %t 水平制表符
  25. %T 显示时分秒：hh:mm:ss
  26. %u 每周的第几天，星期一为第一天 （值从1到7，星期一为1）
  27. %U 第年的第几周，把星期日作为第一天（值从0到53）
  28. %V 每年的第几周，使用基于周的年
  29. %w 十进制表示的星期几（值从0到6，星期天为0）
  30. %W 每年的第几周，把星期一做为第一天（值从0到53）
  31. %x 标准的日期串
  32. %X 标准的时间串
  33. %y 不带世纪的十进制年份（值从0到99）
  34. %Y 带世纪部分的十制年份
  35. %Z 时区名称，如果不能得到时区名称则返回空字符。
  36. %% 一个%符号

使用代码如下：

  1. void func() {
  2.     time_t rawtime = time(NULL);
  3.     char buf[256];
  4.     strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", localtime(&rawtime));
  5.     cout << buf << endl;
  6. }