日期和時間是編程中非常常用的功能。本文是對C++11到C++17中相關(guān)編程接口的介紹。

介紹

C++中可以使用的日期時間API主要分為兩類：

• C-style 日期時間庫，位于<ctime>頭文件中。這是原先<time.h>頭文件的C++版本。
• chrono庫：C++ 11中新增API，增加了時間點(diǎn)，時長和時鐘等相關(guān)接口。

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序來說，是不夠的。

但這個問題在C++11中得到了解決，C++11中不僅擴(kuò)展了對于精度的要求，也為不同系統(tǒng)的時間要求提供了支持。

另一方面，對于只能使用C-style日期時間庫的程序來說，C++17中也增加了timespec將精度提升到了納秒級別。

代碼示例

本文中所貼出的代碼示例可以到我的Github上獲?。?span style="outline: 0px;color: rgb(30, 107, 184);font-weight: bold;">paulQuei/cpp-date-time^[1]。

或者，你也可以直接通過下面這條命令獲取所有源碼：

git clone https://github.com/paulQuei/cpp-date-time.git

為了簡化書寫，本文中給出的代碼都已經(jīng)默認(rèn)做了以下操作：

#include <chrono>
#include <ctime>
#include <iostream>

using namespace std;

C-style 日期時間庫

C-style 日期時間庫中包含的函數(shù)和數(shù)據(jù)類型說明如下：

函數(shù)

數(shù)據(jù)類型

結(jié)構(gòu)梳理

這里有不少的函數(shù)和數(shù)據(jù)類型，剛開始接觸的時候似乎不太容易記得住。

但實(shí)際上，如果我們把它們畫成一張圖就比較好理解了，如下所示：

在這幅圖中，以數(shù)據(jù)類型為中心，帶方向的實(shí)線箭頭表示該函數(shù)能返回相應(yīng)類型的結(jié)果。

• clock函數(shù)是相對獨(dú)立的一個函數(shù)，它返回進(jìn)程運(yùn)行的時間，具體描述見下文。
• time_t描述了紀(jì)元時間，通過time函數(shù)可以獲得它。但它只能精確到秒級別。
• timespec類型在time_t的基礎(chǔ)上，增加了納秒的精度，通過timespec_get獲取。這是C++17上新增的
• tm是日歷類型，因?yàn)樗渲邪四暝氯盏刃畔?。通過gmtime，localtime和mktime函數(shù)可以將time_t和tm類型互相轉(zhuǎn)換。
• 考慮到時區(qū)的差異，因此存在gmtime和localtime兩個函數(shù)。
• 無論是time_t還是tm結(jié)構(gòu)，都可以將其以字符串格式輸出。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函數(shù)。

進(jìn)程運(yùn)行時間

clock函數(shù)返回進(jìn)程迄今為止所用的處理器時間。單獨(dú)調(diào)度該函數(shù)一次所返回的值是沒有意義的，只有兩次不同值的差才有意義。

該值表示了進(jìn)程從關(guān)聯(lián)到程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)定義時期開始，所用的粗略處理器時間。而且這個值僅僅是處理器的時鐘周期。如果希望將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位，還需要將它除以常量 CLOCKS_PER_SEC 。

下面是一段代碼示例：

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;

其輸出如下：

CLOCKS_PER_SEC: 1000000
Process running time: 0.80067s

你可能知道，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)上進(jìn)程都是分時占用處理器的，所以程序的處理器時間會小于真實(shí)世界流逝的時間。但這僅僅是對于單處理器而言的。在多處理器系統(tǒng)上，如果你的進(jìn)程使用了多線程，那么其所用的處理器時間可能比真實(shí)世界流逝的時間值還要大。

關(guān)于紀(jì)元時間

紀(jì)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(jīng)過的秒數(shù)（不考慮閏秒）。它在操作系統(tǒng)和文件格式中被廣泛使用。

這個想法很簡單：以一個時間為起點(diǎn)加上一個偏移量便可以表達(dá)任何一個其他的時間。

如果你好奇為什么選這個時間作為起點(diǎn)，可以點(diǎn)擊這里：Why is 1/1/1970 the “epoch time”?^[2]。

下面是一個代碼示例：

time_t epoch_time = time(nullptr);
cout << "Epoch time: " << epoch_time << endl;

其輸出如下：

Epoch time: 1577433897

time函數(shù)接受一個指針，指向要存儲時間的對象，通?？梢詡鬟f一個空指針，然后通過返回值來接受結(jié)果。

雖然標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出定義，但time_t通常使用整形值來實(shí)現(xiàn)。

作為一個程序員，你可能馬上會意識到整形的位數(shù)和溢出的問題。事實(shí)也剛好是這樣，在一些歷史實(shí)現(xiàn)上使用了32位有符號整數(shù)來實(shí)現(xiàn)time_t，其造成的結(jié)果就是：在2038-01-19 03:14:07^[3]這個時間點(diǎn)，這個值會溢出。

不過不用擔(dān)心太多，這個時間距現(xiàn)在還有將近20年，到那個時候，估計那些有問題的系統(tǒng)已經(jīng)不會再繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或者已經(jīng)被升級了。

計算時間差

在一些情況下，我們需要計算一個操作的時間長度。這自然的就需要計算兩個時間點(diǎn)的差分。這時就可以使用difftime函數(shù)。

事實(shí)上，我們知道time_t以秒級別表示紀(jì)元時間，并且它又是以整形實(shí)現(xiàn)的，直接將兩個time_t相減，可以得到相同的結(jié)果。

下面是一個代碼示例：

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;

其輸出如下，可以看到這正是time1和time2兩個整數(shù)相減的結(jié)果：

time1: 1577434406
time2: 1577434414
time_diff: 8s

注意：time_t只精確到秒，它無法描述毫秒級別的時間，所以在有更高精度要求的情況下，需要使用下文提到的其他方法。

輸出時間和日期

當(dāng)然，我們還希望將時間以字符串的形式打印出來。這時就可以使用ctime函數(shù)。不過該函數(shù)打印的格式是固定的：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。如果你希望自定義輸出的格式，可以使用下文提到的其他方法。

下面是一個代碼示例：

time_t now = time(nullptr);
cout << "Now is: " << ctime(&now);

其輸出如下：

Now is: Fri Dec 27 16:17:45 2019

UTC時間與本地時間

對于一個具體的時刻來說，不同時區(qū)的具體時間是不一樣的，例如：東京時間就比北京時間快了一個小時。

我們既有可能需要知道無差別的標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC時間），例如：計算一個航班的時長。也有可能需要獲取某個當(dāng)?shù)氐木唧w時間：gmtime用來將 std::time_t 的紀(jì)元時間轉(zhuǎn)換為UTC時間，而localtime則將紀(jì)元時間轉(zhuǎn)換為本地時區(qū)所代表的日歷時間。

日歷時間使用tm結(jié)構(gòu)描述。其結(jié)構(gòu)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 并非我們?nèi)祟惱斫獾脑路?，而是[0, 11]的范圍。因此在某些時候你可能要對其+1.
• tm_year 是自1900起之年，因此你可能也需要對其 +1900。

asctime可以直接將tm結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成人類理解的字符串格式，不過其格式是固定的：Www Mmm dd hh:mm:ss yyyy\n。對于有特定格式要求，可以使用下文提到的其他方法。

下面是一個代碼示例：

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);

其輸出如下：

gmtime: Fri Dec 27 08:36:14 2019
local_time: Fri Dec 27 16:36:14 2019

由于北京時間的時區(qū)是GMT+8，所以我的本地時間比UTC時間快8個小時。

自定義時間格式

無論是ctime函數(shù)還是asctime函數(shù)，其輸出的格式都是固定的。在有格式要求的情況下，它們并不能完成需求。

當(dāng)然，你可以直接讀取tm結(jié)構(gòu)體中的字段來進(jìn)行輸出，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;

請注意這段代碼中，需要對tm_year和tm_mon進(jìn)行轉(zhuǎn)換才是我們?nèi)粘＠斫獾娜掌凇?/p>

很顯然，這樣寫太啰嗦了。

更好的方法是：使用strftime或者wcsftime函數(shù)來指定格式輸出。關(guān)于這兩個函數(shù)的格式，可以看這個鏈接：std::strftime format^[4]。

想要輸出上面代碼同樣的格式，只要這樣就可以完成任務(wù)了：

char buffer[32];
strftime(buffer, 32, "%Y/%m/%d %H:%M:%S", t);
cout << "Now is: " << buffer << endl;

它們會輸出同樣的結(jié)果：

Now is: 2019/12/27 16:40:39

除了<ctime>之外，為了方便時間的輸入輸出，從C++11開始，在<iomanip>頭文件中還增加了put_time^[5]與get_time^[6]兩個函數(shù)。

納秒精度的timespec

前面我們已經(jīng)說了，紀(jì)元時間的精度只有秒級別。這在很多時候是不夠用的。

為了解決這個問題，C++17上增加了timespec類型提供了納秒級別的精度。

以下是四個時間單位的換算和英文表示：

1秒(Second)=103毫秒(millisecond)=106微妙(microsecond)=109納秒(nanosecond)(1)(1)1秒(Second)=103毫秒(millisecond)=106微妙(microsecond)=109納秒(nanosecond)

timespec類型結(jié)構(gòu)如下：

struct timespec {
  std::time_t tv_sec;
  long tv_nsec;
};

可以看到，這里是在time_t之外，增加了一個tv_nsec來表達(dá)納秒的數(shù)量。為了獲取這個值，C++17新增了timespec_get函數(shù)。

以下是一個代碼示例：

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的第二個參數(shù)是一個整形表達(dá)的base。目前標(biāo)準(zhǔn)只定義了TIME_UTC。

其輸出如下：

Current time: 12/27/19 09:03:29.497456000 UTC

說完了C-style日期時間庫，讓我們再來看看C++11新增的chrono庫。

chrono 庫

“chrono”是英文chronology的縮寫，其含義是“年表；年代學(xué)”。

時鐘

為了滿足不同類型的需求，C++11 chrono庫中包含了三種類型的時鐘，它們的說明如下：

system_clock 的時間來源是系統(tǒng)時鐘，而系統(tǒng)時間隨時都可能被調(diào)整。所以如果你需要計算兩個時間點(diǎn)的時間差，這不是一個好的選擇。因?yàn)槿绻麅纱螘r間差中間系統(tǒng)時間被調(diào)整了，其結(jié)果就沒有意義了。

steady_clock會保證單調(diào)性。它就好像物理時間只會向前移動，無法減少。它最適合用來度量間隔。

high_resolution_clock 表示實(shí)現(xiàn)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(dú)立時鐘。

這三個時鐘類有一些共同的成員，如下所示：

每種時鐘類都有一個 now()now() 靜態(tài)函數(shù)來獲取當(dāng)前時間，返回的類型是由該時鐘類下的time_point描述。這是一個std::chrono::time_point模板類的具體實(shí)例，例如：std::chrono::time_pointstd::chrono::system_clock或者std::chrono::time_pointstd::chrono::steady_clock。是的，這個類型太長了，不過在C++11中，你可以用auto關(guān)鍵字來簡寫。

例如，下面是不使用和使用auto關(guān)鍵字的寫法：

std::chrono::time_point<std::chrono::steady_clock> now = std::chrono::steady_clock::now();

auto now2 = std::chrono::steady_clock::now();

與C-style轉(zhuǎn)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(tài)函數(shù)用來與std::time_t來回轉(zhuǎn)換：

由此，我們可以通過下面這幅圖來描述幾種時間類型的轉(zhuǎn)換：

下面是一個代碼示例：

auto now = chrono::system_clock::now();
time_t time = chrono::system_clock::to_time_t(now);
cout << "Now is: " << ctime(&time) << endl;

時長

ratio

人類對于精度的要求是沒有止境的。雖然目前的精度已經(jīng)從秒到毫秒，微妙甚至納秒。但很難說今后還會不會有更高精度的要求。

前面我們已經(jīng)看到，為了將精度從秒變成納秒，C++17增加了timespec_get函數(shù)和timespec類型。如果以后還有更高的精度要求，C++標(biāo)準(zhǔn)還需要添加更多的函數(shù)和類型嗎？老實(shí)說，這不是一個好的設(shè)計。

為了解決這個問題，C++11中添加了一個新的頭文件和類型，那就是：ratio。

std::ratio描述了編譯時的有理數(shù)，這是一個模板類。有了這個類型之后，我們就可以表示任意精度的值了。

例如：相對于秒來說，毫秒是11,00011,000，微妙是11,000,00011,000,000，納秒是11,000,000,00011,000,000,000。通過ratio可以這樣表達(dá)：

std::ratio<1, 1000>       milliseconds;
std::ratio<1, 1000000>    microseconds;
std::ratio<1, 1000000000> nanoseconds;

其實(shí)上，<ratio>頭文件中包含了很多以10為基數(shù)的各種分?jǐn)?shù)，具體可以見這里：編譯時有理數(shù)算術(shù)^[7]。

我們只需要通過：std::milli，std::micro，std::nano使用就好了。

當(dāng)然，ratio能表達(dá)的數(shù)值不僅僅是以10為基底的。對于任意的分?jǐn)?shù)都可以表達(dá)，例如: 5757，591023591023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，<ratio>頭文件還包含了：ratio_add，ratio_subtract，ratio_multiply，ratio_divide來完成分?jǐn)?shù)的加減乘除四則運(yùn)算。

例如，想要計算57+59102357+591023，可以這樣寫：

ratio_add<ratio<5, 7>, ratio<59, 1023>> result;
double value = ((double) result.num) / result.den;
cout << result.num << "/" << result.den << " = " << value << endl;

請注意：無論是分子還是分母，都是一個整形。在C++中，整形的除法結(jié)果仍然是整形，多余部分會被丟棄，因此想要獲取double類型的結(jié)果，需要先將其轉(zhuǎn)換成double。

這段代碼輸出的結(jié)果是：

5528/7161 = 0.771959

時長類型

類模板 std::chrono::duration 表示時間間隔。有了ratio之后，表達(dá)時長就很方便了，下面是chrono庫中提供的很常用的幾個時長單位：

duration類的count()成員函數(shù)返回具體數(shù)值。

時長運(yùn)算

時長之間最常用的運(yùn)算自然是相加或者相減，這個通過“+”，“-”就可以完成。

除此之外，chrono庫中還提供了下面幾個常用的函數(shù)：

例如：想要知道2個小時零5分鐘一共是多少秒，可以這樣寫：

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;

我們可以得到：

02:05 is 7500 seconds

從C++14開始，你甚至可以用字面值來描述常見的時長。這包括：

• h表示小時
• min表示分鐘
• s表示秒
• ms表示毫秒
• us表示微妙
• ns表示納秒

這些字面值位于std::chrono_literals命名空間下。于是，可以這樣表達(dá)2個小時以及5分鐘：

using namespace std::chrono_literals;
auto two_hours = 2h;
auto five_minutes = 5min;

時間點(diǎn)

時間點(diǎn)中包含了時鐘和時長兩個信息，類模板 std::chrono::time_point 表示時間中的一個點(diǎn)。

時鐘的now()now()函數(shù)返回的值就是一個時間點(diǎn)。time_point中的time_since_epoch()返回從其時鐘起點(diǎn)開始的時長。

時間點(diǎn)運(yùn)算

時間點(diǎn)有加法操作和減法操作，與我們的常識相一致：

時間點(diǎn) + 時長 = 時間點(diǎn)
時間點(diǎn) - 時間點(diǎn) = 時長

例如：可以通過兩個時間點(diǎn)相減計算一個時間間隔，下面是一個代碼示例：

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;

上面這個代碼很好的說明了：有了duration和duration_cast，我們可以以任意的精度來描述結(jié)果的值。

除了相加和相減，兩個時間點(diǎn)還有比較操作：判斷一個時間點(diǎn)在另外一個時間點(diǎn)之前還是之后。對于這些操作，通過運(yùn)算符：==，!=，<，<=，>，>=來完成。

展望 C++ 20

通過上面的講解我們可以看到，自C++11以來，日期時間庫功能獲得了極大的提升。并且，在C++14和C++17上也有一些小改進(jìn)。

但如果你使用過Java類庫，就會覺得差距還是比較大。Java中的相關(guān)API早就有對于日歷，時區(qū)等方面更好的支持。

對于這一點(diǎn)， 在C++下一個標(biāo)準(zhǔn)C++20中，將有相應(yīng)的支持。這些改進(jìn)包括：

• 更多類型的時鐘，例如：utc_clock，tai_lock，gps_clock等。
• 時鐘以及時間點(diǎn)的轉(zhuǎn)換
• Calendar支持
• 時區(qū)支持

關(guān)于這一點(diǎn)，你可以看這個鏈接：Date and time utilities^[8]。

如果想獲取更多關(guān)于C++20的信息，可以直接看這里：N4842：《Working Draft, Standard for Programming Language C++》^[9]。

參考資料與推薦讀物

• cppreference: Date and time utilities^[10]
• cppreference: Standard library header ^[11]
• [The C++ Standard Library: A Tutorial and Reference, 2nd Edition](

參考資料

文章鏈接：https://paul.pub/cpp-date-time/