C++ 日期和时间编程
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2021-11-04 02:56
日期和时间是编程中非常常用的功能。本文是对C++11到C++17中相关编程接口的介绍。
介绍
C++中可以使用的日期时间API主要分为两类：
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。
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。
代码示例
本文中所贴出的代码示例可以到我的Github上获取：paulQuei/cpp-date-time[1]。
或者，你也可以直接通过下面这条命令获取所有源码：
git clone https://github.com/paulQuei/cpp-date-time.git
为了简化书写，本文中给出的代码都已经默认做了以下操作：
#include <chrono>
#include <ctime>
#include <iostream>
using namespace std;
C-style 日期时间库
C-style 日期时间库中包含的函数和数据类型说明如下：
函数
| 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 |
std::time_t time(std::time_t* arg) | 返回自纪元起计的系统当前时间 |
double difftime(std::time_t time_end, std::time_t time_beg) | 计算时间之间的差 |
int timespec_get(std::timespec* ts, int base)∗∗ | 返回基于给定时间基底的日历时间 |
char* ctime(const std::time_t* time) | 转换 time_t 对象为文本表示 |
char* asctime(const std::tm* time_ptr) | 转换 tm 对象为文本表示 |
std::size_t strftime(char* str, std::size_t count, const char* format, const std::tm* time) | 转换 tm 对象到自定义的文本表示 |
std::size_t wcsftime( wchar_t* str, std::size_t count, const wchar_t* format, const std::tm* time) | 转换 tm 对象为定制的宽字符串文本表示 |
std::tm* gmtime(const std::time_t* time) | 将time_t转换成UTC表示的时间 |
std::tm* localtime(const std::time_t *time) | 将time_t转换成本地时间 |
std::time_t mktime(std::tm* time) | 将tm格式的时间转换成time_t表示的时间 |
数据类型
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| time_t | 从纪元起的时间类型 |
| tm | 日历时间类型 |
| timespec∗∗ | 以秒和纳秒表示的时间 |
| clock_t | 进程运行时间 |
| size_t | sizeof 运算符返回的无符号整数类型 |
结构梳理
这里有不少的函数和数据类型，刚开始接触的时候似乎不太容易记得住。
但实际上，如果我们把它们画成一张图就比较好理解了，如下所示：
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 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。
进程运行时间
clock函数返回进程迄今为止所用的处理器时间。单独调度该函数一次所返回的值是没有意义的，只有两次不同值的差才有意义。
该值表示了进程从关联到程序执行的实现定义时期开始，所用的粗略处理器时间。而且这个值仅仅是处理器的时钟周期。如果希望将其转换为以秒为单位，还需要将它除以常量 CLOCKS_PER_SEC 。
下面是一段代码示例：
clock_t time1 = clock();
double sum = 0;
for(int i = 0; i < 100000000; i++) {
sum += sqrt(i);
}
clock_t time2 = clock();
double t = ((double)(time2 - time1)) / CLOCKS_PER_SEC ;
cout << "CLOCKS_PER_SEC: " << CLOCKS_PER_SEC << endl;
cout << "Process running time: " << t << "s" << endl;
其输出如下：
CLOCKS_PER_SEC: 1000000
Process running time: 0.80067s
你可能知道，现代的操作系统上进程都是分时占用处理器的，所以程序的处理器时间会小于真实世界流逝的时间。但这仅仅是对于单处理器而言的。在多处理器系统上，如果你的进程使用了多线程，那么其所用的处理器时间可能比真实世界流逝的时间值还要大。
关于纪元时间
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。
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。
如果你好奇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”?[2]。
下面是一个代码示例：
time_t epoch_time = time(nullptr);
cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;
其输出如下：
Epoch time: 1577433897
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。
作为一个程序员，你可能马上会意识到整形的位数和溢出的问题。事实也刚好是这样，在一些历史实现上使用了32位有符号整数来实现time_t，其造成的结果就是：在2038-01-19 03:14:07[3]这个时间点，这个值会溢出。
不过不用担心太多，这个时间距现在还有将近20年，到那个时候，估计那些有问题的系统已经不会再继续运转或者已经被升级了。
计算时间差
在一些情况下，我们需要计算一个操作的时间长度。这自然的就需要计算两个时间点的差分。这时就可以使用difftime函数。
事实上，我们知道time_t以秒级别表示纪元时间，并且它又是以整形实现的，直接将两个time_t相减，可以得到相同的结果。
下面是一个代码示例：
time_t time1 = time(nullptr);
double sum = 0;
for(int i = 0; i < 1000000000; i++) {
sum += sqrt(i);
}
time_t time2 = time(nullptr);
double time_diff = difftime(time2, time1);
cout << "time1: " << time1 << endl;
cout << "time2: " << time2 << endl;
cout << "time_diff: " << time_diff << "s" << endl;
其输出如下，可以看到这正是time1和time2两个整数相减的结果：
time1: 1577434406
time2: 1577434414
time_diff: 8s
注意：time_t只精确到秒，它无法描述毫秒级别的时间，所以在有更高精度要求的情况下，需要使用下文提到的其他方法。
输出时间和日期
当然，我们还希望将时间以字符串的形式打印出来。这时就可以使用ctime函数。不过该函数打印的格式是固定的：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。如果你希望自定义输出的格式，可以使用下文提到的其他方法。
下面是一个代码示例：
time_t now = time(nullptr);
cout << "Now is: " << ctime(&now);
其输出如下：
Now is: Fri Dec 27 16:17:45 2019
UTC时间与本地时间
对于一个具体的时刻来说，不同时区的具体时间是不一样的，例如：东京时间就比北京时间快了一个小时。
我们既有可能需要知道无差别的标准时间（UTC时间），例如：计算一个航班的时长。也有可能需要获取某个当地的具体时间：gmtime用来将 std::time_t 的纪元时间转换为UTC时间，而localtime则将纪元时间转换为本地时区所代表的日历时间。
日历时间使用tm结构描述。其结构如下：
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;
};
需要注意的是：
tm_mon 并非我们人类理解的月份，而是[0, 11]的范围。因此在某些时候你可能要对其+1. tm_year 是自1900起之年，因此你可能也需要对其 +1900。
asctime可以直接将tm结构转换成人类理解的字符串格式，不过其格式是固定的：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。对于有特定格式要求，可以使用下文提到的其他方法。
下面是一个代码示例：
time_t now = time(nullptr);
tm* gm_time = gmtime(&now);
tm* local_time = localtime(&now);
cout << "gmtime: " << asctime(gm_time);
cout << "local_time: " << asctime(local_time);
其输出如下：
gmtime: Fri Dec 27 08:36:14 2019
local_time: Fri Dec 27 16:36:14 2019
由于北京时间的时区是GMT+8，所以我的本地时间比UTC时间快8个小时。
自定义时间格式
无论是ctime函数还是asctime函数，其输出的格式都是固定的。在有格式要求的情况下，它们并不能完成需求。
当然，你可以直接读取tm结构体中的字段来进行输出，例如：
time_t now = time(nullptr);
tm* t = localtime(&now);
cout << "Now is: " << t->tm_year + 1900 << "/" << t->tm_mon + 1<< "/" << t->tm_mday << " ";
cout << t->tm_hour << ":" << t->tm_min << ":" << t->tm_sec << endl;
请注意这段代码中，需要对tm_year和tm_mon进行转换才是我们日常理解的日期。
很显然，这样写太啰嗦了。
更好的方法是：使用strftime或者wcsftime函数来指定格式输出。关于这两个函数的格式，可以看这个链接：std::strftime format[4]。
想要输出上面代码同样的格式，只要这样就可以完成任务了：
char buffer[32];
strftime(buffer, 32, "%Y/%m/%d %H:%M:%S", t);
cout << "Now is: " << buffer << endl;
它们会输出同样的结果：
Now is: 2019/12/27 16:40:39
除了
<ctime>之外，为了方便时间的输入输出，从C++11开始，在<iomanip>头文件中还增加了put_time[5]与get_time[6]两个函数。
纳秒精度的timespec
前面我们已经说了，纪元时间的精度只有秒级别。这在很多时候是不够用的。
为了解决这个问题，C++17上增加了timespec类型提供了纳秒级别的精度。
以下是四个时间单位的换算和英文表示：
1秒(Second)=103毫秒(millisecond)=106微妙(microsecond)=109纳秒(nanosecond)(1)(1)1秒(Second)=103毫秒(millisecond)=106微妙(microsecond)=109纳秒(nanosecond)
timespec类型结构如下：
struct timespec {
std::time_t tv_sec;
long tv_nsec;
};
可以看到，这里是在time_t之外，增加了一个tv_nsec来表达纳秒的数量。为了获取这个值，C++17新增了timespec_get函数。
以下是一个代码示例：
timespec ts;
timespec_get(&ts, TIME_UTC);
char buff[100];
strftime(buff, sizeof buff, "%D %T", std::gmtime(&ts.tv_sec));
printf("Current time: %s.%09ld UTC\n", buff, ts.tv_nsec);
timespec_get的第二个参数是一个整形表达的base。目前标准只定义了TIME_UTC。
其输出如下：
Current time: 12/27/19 09:03:29.497456000 UTC
说完了C-style日期时间库，让我们再来看看C++11新增的chrono库。
chrono 库
“chrono”是英文chronology的缩写，其含义是“年表；年代学”。
时钟
为了满足不同类型的需求，C++11 chrono库中包含了三种类型的时钟，它们的说明如下：
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| system_clock | 系统时钟 |
| steady_clock | 单调时钟，不会被调整 |
| high_resolution_clock | 拥有可用的最短嘀嗒周期的时钟 |
system_clock 的时间来源是系统时钟，而系统时间随时都可能被调整。所以如果你需要计算两个时间点的时间差，这不是一个好的选择。因为如果两次时间差中间系统时间被调整了，其结果就没有意义了。
steady_clock会保证单调性。它就好像物理时间只会向前移动，无法减少。它最适合用来度量间隔。
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。
这三个时钟类有一些共同的成员，如下所示：
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| now()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，见下文“时间点” |
| duration | 成员类型，时钟的时长类型，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 |
每种时钟类都有一个 now()now() 静态函数来获取当前时间，返回的类型是由该时钟类下的time_point描述。这是一个std::chrono::time_point模板类的具体实例，例如：std::chrono::time_pointstd::chrono::system_clock或者std::chrono::time_pointstd::chrono::steady_clock。是的，这个类型太长了，不过在C++11中，你可以用auto关键字来简写。
例如，下面是不使用和使用auto关键字的写法：
std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> now = std::chrono::steady_clock::now();
auto now2 = std::chrono::steady_clock::now();
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与std::time_t来回转换：
| 名称 | 说明 |
|---|---|
| to_time_t | 转换系统时钟时间点为 std::time_t |
| from_time_t | 转换 std::time_t 到系统时钟时间点 |
由此，我们可以通过下面这幅图来描述几种时间类型的转换：
下面是一个代码示例：
auto now = chrono::system_clock::now();
time_t time = chrono::system_clock::to_time_t(now);
cout << "Now is: " << ctime(&time) << endl;
时长
ratio
人类对于精度的要求是没有止境的。虽然目前的精度已经从秒到毫秒，微妙甚至纳秒。但很难说今后还会不会有更高精度的要求。
前面我们已经看到，为了将精度从秒变成纳秒，C++17增加了timespec_get函数和timespec类型。如果以后还有更高的精度要求，C++标准还需要添加更多的函数和类型吗？老实说，这不是一个好的设计。
为了解决这个问题，C++11中添加了一个新的头文件和类型，那就是：ratio。
std::ratio描述了编译时的有理数，这是一个模板类。有了这个类型之后，我们就可以表示任意精度的值了。
例如：相对于秒来说，毫秒是11,00011,000，微妙是11,000,00011,000,000，纳秒是11,000,000,00011,000,000,000。通过ratio可以这样表达：
std::ratio<1, 1000> milliseconds;
std::ratio<1, 1000000> microseconds;
std::ratio<1, 1000000000> nanoseconds;
其实上，<ratio>头文件中包含了很多以10为基数的各种分数，具体可以见这里：编译时有理数算术[7]。
我们只需要通过：std::milli，std::micro，std::nano使用就好了。
当然，ratio能表达的数值不仅仅是以10为基底的。对于任意的分数都可以表达，例如: 5757，591023591023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57+59102357+591023，可以这样写：
ratio_add<ratio<5, 7>, ratio<59, 1023>> result;
double value = ((double) result.num) / result.den;
cout << result.num << "/" << result.den << " = " << value << endl;
请注意：无论是分子还是分母，都是一个整形。在C++中，整形的除法结果仍然是整形，多余部分会被丢弃，因此想要获取double类型的结果，需要先将其转换成double。
这段代码输出的结果是：
5528/7161 = 0.771959
时长类型
类模板 std::chrono::duration 表示时间间隔。有了ratio之后，表达时长就很方便了，下面是chrono库中提供的很常用的几个时长单位：
| 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()成员函数返回具体数值。
时长运算
时长之间最常用的运算自然是相加或者相减，这个通过“+”，“-”就可以完成。
除此之外，chrono库中还提供了下面几个常用的函数：
| 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 |
例如：想要知道2个小时零5分钟一共是多少秒，可以这样写：
chrono::hours two_hours(2);
chrono::minutes five_minutes(5);
auto duration = two_hours + five_minutes;
auto seconds = chrono::duration_cast<chrono::seconds>(duration);
cout << "02:05 is " << seconds.count() << " seconds" << endl;
我们可以得到：
02:05 is 7500 seconds
从C++14开始，你甚至可以用字面值来描述常见的时长。这包括：
h表示小时min表示分钟s表示秒ms表示毫秒us表示微妙ns表示纳秒
这些字面值位于std::chrono_literals命名空间下。于是，可以这样表达2个小时以及5分钟：
using namespace std::chrono_literals;
auto two_hours = 2h;
auto five_minutes = 5min;
时间点
时间点中包含了时钟和时长两个信息，类模板 std::chrono::time_point 表示时间中的一个点。
时钟的now()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。
时间点运算
时间点有加法操作和减法操作，与我们的常识相一致：
时间点 + 时长 = 时间点
时间点 - 时间点 = 时长
例如：可以通过两个时间点相减计算一个时间间隔，下面是一个代码示例：
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();
auto time_diff = end - start;
auto duration = chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(time_diff);
cout << "Operation cost : " << duration.count() << "ms" << endl;
上面这个代码很好的说明了：有了duration和duration_cast，我们可以以任意的精度来描述结果的值。
除了相加和相减，两个时间点还有比较操作：判断一个时间点在另外一个时间点之前还是之后。对于这些操作，通过运算符：==，!=，<，<=，>，>=来完成。
展望 C++ 20
通过上面的讲解我们可以看到，自C++11以来，日期时间库功能获得了极大的提升。并且，在C++14和C++17上也有一些小改进。
但如果你使用过Java类库，就会觉得差距还是比较大。Java中的相关API早就有对于日历，时区等方面更好的支持。
对于这一点， 在C++下一个标准C++20中，将有相应的支持。这些改进包括：
更多类型的时钟，例如：utc_clock，tai_lock，gps_clock等。 时钟以及时间点的转换 Calendar支持 时区支持
关于这一点，你可以看这个链接：Date and time utilities[8]。
如果想获取更多关于C++20的信息，可以直接看这里：N4842：《Working Draft, Standard for Programming Language C++》[9]。
参考资料与推荐读物
cppreference: Date and time utilities[10] cppreference: Standard library header [11] [The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference, 2nd Edition](
参考资料
paulQuei/cpp-date-time: https://github.com/paulQuei/cpp-date-time
[2]Why is 1/1/1970 the “epoch time”?: https://stackoverflow.com/questions/1090869/why-is-1-1-1970-the-epoch-time
[3]2038-01-19 03:14:07: https://en.wikipedia.org/wiki/Year_2038_problem
[4]std::strftime format: https://zh.cppreference.com/w/cpp/chrono/c/strftime
[5]put_time: https://zh.cppreference.com/w/cpp/io/manip/put_time
[6]get_time: https://zh.cppreference.com/w/cpp/io/manip/get_time
[7]编译时有理数算术: https://zh.cppreference.com/w/cpp/numeric/ratio
[8]Date and time utilities: https://en.cppreference.com/w/cpp/chrono
[9]N4842：《Working Draft, Standard for Programming Language C++》: http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2019/n4842.pdf
[10]cppreference: Date and time utilities: https://en.cppreference.com/w/cpp/chrono
[11]cppreference: Standard library header : https://en.cppreference.com/w/cpp/header/ctime
文章链接：https://paul.pub/cpp-date-time/