C++ 日期和时间编程总结
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 <ctime> 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
| 名称 | 说明 |
|---|---|
time_t |
能够表示时间的基本算术类型的别名，能够表示函数 time 返回的时间，单位为秒级别。 |
clock_t |
能够表示时钟滴答计数的基本算术类型的别名（可用作进程运行时间） |
size_t |
sizeof 运算符返回的无符号整数类型。 |
struct tm |
包含日历日期和时间的结构体类型 |
| timespec* | 以秒和纳秒表示的时间 |
2.2，函数
C-style 日期时间库中包含的时间操作函数如下：
| 函数 | 说明 |
|---|---|
std::clock_t clock() |
返回自程序启动时起的处理器时钟时间 |
double difftime(std::time_t time_end, std::time_t time_beg) |
计算开始和结束之间的秒数差 |
std::time_t time (time_t* timer) |
返回自纪元起计的系统当前时间, 函数可以为空指针 |
std::time_t mktime (struct tm * timeptr) |
将 tm 格式的时间转换成 time_t 表示的时间 |
时间转换函数如下：
| 函数 | 说明 |
|---|---|
char* asctime(const struct tm* timeptr) |
将 tm 结构体对象转换为字符串的文本 |
char* ctime(const time_t* timer) |
将 time_t 对象转换为 C 字符串，用于表示日历时间 |
struct tm* gmtime(const time_t* time) |
将 time_t 转换成 UTC 表示的时间 |
struct tm* localtime(const time_t* timer) |
将 time_t 转换成本地时间 |
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：
/* 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，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。<ctime>**** 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）：
/* 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: 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，<ratio>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</*至少 64 位的有符号整数类型*/, std::nano> |
std::chrono::microseconds |
duration</*至少 55 位的有符号整数类型*/, std::micro> |
std::chrono::milliseconds |
duration</*至少 45 位的有符号整数类型*/, std::milli> |
std::chrono::seconds |
duration</*至少 35 位的有符号整数类型*/> |
std::chrono::minutes |
duration</*至少 29 位的有符号整数类型*/, std::ratio<60» |
std::chrono::hours |
duration</*至少 23 位的有符号整数类型*/, 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> /* 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
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