C++11中的時(shí)間庫std::chrono(引發(fā)關(guān)于時(shí)間的思考)
前言
時(shí)間是寶貴的,我們無時(shí)無刻不在和時(shí)間打交道,這個(gè)任務(wù)明天下班前截止,你點(diǎn)的外賣還有5分鐘才能送到,那個(gè)程序已經(jīng)運(yùn)行了整整48個(gè)小時(shí),既然時(shí)間和我們聯(lián)系這么緊密,我們總要定義一些術(shù)語來描述它,像前面說到的明天下班前、5分鐘、48個(gè)小時(shí)都是對(duì)時(shí)間的描述,程序代碼構(gòu)建的程序世界也需要定義一些術(shù)語來描述時(shí)間。
今天要總結(jié)學(xué)習(xí)的是 std::chrono
庫,它是 C++11
標(biāo)準(zhǔn)時(shí)從 boost
庫中引入的,其實(shí)在 C++ 中還有一種 C
語言風(fēng)格的時(shí)間管理體系,像我們常見的函數(shù) time()
、clock()
、localtime()
、mktime()
和常見的類型 tm
、time_t
、clock_t
都是 C
語言風(fēng)格的時(shí)間管理體系。
std::chrono
這個(gè)庫之前接觸的不多,C++20
標(biāo)準(zhǔn)都出了,C++11
引入的這個(gè)庫還沒怎么用過,整天和 time()
、 localtime()
、 tm
打交道,最近工作中換了項(xiàng)目,代碼中出現(xiàn)了 std::chrono
的使用,是時(shí)候好好學(xué)習(xí)總結(jié)一下了。
chrono 的概況頭
文件#include <chrono>
命名空間 std::chrono
這個(gè)庫從 C++11
引入標(biāo)準(zhǔn)之后,每個(gè)版本都有所修改,不過核心內(nèi)容變化不是太大,他定義了三種主要類型,分別是 durations
、clocks
和 time points
,以及圍繞這些類型的一些工具函數(shù)和衍生的定義。
chrono 的核心內(nèi)容duration
這個(gè)模板類用來表示時(shí)間間隔,我們知道時(shí)間的基本單位是秒,這個(gè)類的對(duì)象所表示的時(shí)間間隔也是以秒為單位的,它的定義如下:
template<class Rep, class Period = std::ratio<1>> class duration;
Rep
表示一種數(shù)值類型,用來描述周期 Period
的數(shù)值類型,比如可以是 int
、float
等,而 Period
的類型是 std::ratio
,同樣是一個(gè)模板類,實(shí)際表示的是一個(gè)有理數(shù),像100、0、1/1000(千分之一)等等。
在 std
這個(gè)命名空間下有很多已經(jīng)定義好的有理數(shù),可以舉幾個(gè)常見的頭文件 <ratio>
中的例子:
nano std::ratio<1, 1000000000> // 十億分之一 micro std::ratio<1, 1000000> // 百萬分之一 milli std::ratio<1, 1000> // 千分之一 centi std::ratio<1, 100> // 百分之一 deci std::ratio<1, 10> // 十分之一 deca std::ratio<10, 1> // 十 hecto std::ratio<100, 1> // 百 kilo std::ratio<1000, 1> // 千
比如我們想定義一個(gè)整數(shù)類型的100秒的時(shí)間間隔類型可以使用:
typedef std::chrono::duration<int, std::ratio<100,1>> my_duration_type;
當(dāng)然也可以簡(jiǎn)寫成:
typedef std::chrono::duration<int, std::hecto> my_duration_type;
如果我們想定義一個(gè)整數(shù)類型1分鐘的時(shí)間間隔類型可以寫成:
typedef std::chrono::duration<int, std::ratio<60,1>> my_minute_type;
因?yàn)檫@種時(shí)、分、秒的時(shí)間表示在代碼邏輯中很常用,所有在 std::chrono
命名空間下已經(jīng)定義好了一些時(shí)間間隔類型:
std::chrono::nanoseconds duration</*signed integer type of at least 64 bits*/, std::nano> std::chrono::microseconds duration</*signed integer type of at least 55 bits*/, std::micro> std::chrono::milliseconds duration</*signed integer type of at least 45 bits*/, std::milli> std::chrono::seconds duration</*signed integer type of at least 35 bits*/> std::chrono::minutes duration</*signed integer type of at least 29 bits*/, std::ratio<60>> std::chrono::hours duration</*signed integer type of at least 23 bits*/, std::ratio<3600>>
另外還有一個(gè)很重要的成員函數(shù) count()
,用來獲得指定的時(shí)間間隔對(duì)象中包含多少個(gè)時(shí)間周期,接下來可以寫個(gè)例子理解一下,我們用 duration
這個(gè)模板類來表示一下5分鐘和12小時(shí),看看他應(yīng)該怎么使用,對(duì)于5分鐘你可以看成是 5 個(gè) 1 分鐘或者 1 個(gè) 5 分鐘,或者更變態(tài)你可以看成 2.5 個(gè) 2 分鐘,而 12 小時(shí)一般會(huì)看成是 12個(gè) 1 小時(shí),你當(dāng)成 0.5 個(gè) 1 天也是可以的:
#include <chrono> #include <iostream> int main() { // 以下為5分鐘表達(dá) std::chrono::minutes minute1{5}; // 5個(gè)1分鐘 std::chrono::duration<int, std::ratio<5*60, 1>> minute2{1}; // 1個(gè)5分鐘 std::chrono::duration<double, std::ratio<2*60, 1>> minute3{2.5}; // 2.5個(gè)2分鐘 std::cout << "minutes1 duration has " << minute1.count() << " ticks\n" << "minutes2 duration has " << minute2.count() << " ticks\n" << "minutes3 duration has " << minute3.count() << " ticks\n"; // 一下為12小時(shí)表達(dá) std::chrono::hours hours1{12}; // 12個(gè)1小時(shí) std::chrono::duration<double, std::ratio<60*60*24, 1>> hours2{0.5}; // 0.5個(gè)1天 std::cout << "hours1 duration has " << hours1.count() << " ticks\n" << "hours2 duration has " << hours2.count() << " ticks\n"; // 使用 std::chrono::duration_cast<T> 將分鐘間隔轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)秒間隔 std::cout << "minutes1 duration has " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(minute1).count() << " seconds\n"; }
上述代碼中還使用了 std::chrono::duration_cast<T>()
函數(shù),用于各種時(shí)間間隔的換算,運(yùn)行結(jié)果如下:
minutes1 duration has 5 ticks minutes2 duration has 1 ticks minutes3 duration has 2.5 ticks hours1 duration has 12 ticks hours2 duration has 0.5 ticks minutes1 duration has 300 seconds
clock
從名字可以看出這個(gè)類叫做時(shí)鐘,時(shí)鐘是用來看時(shí)間和計(jì)時(shí)的,常用的兩個(gè)類是 system_clock
和 steady_clock
,在 C++20
標(biāo)準(zhǔn)中又加入了多種內(nèi)容,現(xiàn)在我們先來看看這兩個(gè)常用類。
從這一部分開始類的定義讓人有些迷糊,其實(shí) clock 引用了 std::chrono::duration
和后面要說的 std::chrono::time_point
, 而 std::chrono::time_point
又引用了 std::chrono::duration
和現(xiàn)在要講的 std::chrono::system_clock
、 std::chrono::steady_clock
,如果只看定義很容易被繞暈,所以還是先做個(gè)練習(xí)實(shí)驗(yàn)一下。
system_clock
這個(gè)類被稱為系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘,當(dāng)修改系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)可能會(huì)改變其單調(diào)遞增的性質(zhì),靜態(tài)成員函數(shù)有 now()
、to_time_t()
、from_time_t()
三個(gè),關(guān)于它的單調(diào)性被修改舉個(gè)例子,一般認(rèn)為時(shí)間一直是遞增的,但是當(dāng)你現(xiàn)在調(diào)用一次函數(shù) now()
,然后把時(shí)間往過去調(diào)1天,然后再調(diào)用 now()
函數(shù),就會(huì)發(fā)現(xiàn)新得到的時(shí)間“變小”了。
也因?yàn)檫@樣它會(huì)受到 NTP(Network Time Protocol,網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)的影響,但是不會(huì)受時(shí)區(qū)和夏令時(shí)的影響(其實(shí)很多國家早就廢除夏令時(shí)了)。
下面寫個(gè)例子練習(xí)一下,例子中使用了 now()
、to_time_t()
、from_time_t()
三個(gè)函數(shù),不清楚的時(shí)候可以對(duì)照一下:
#include <chrono> #include <iostream> int main() { std::chrono::duration<int, std::ratio<60*60*24> > one_day(1); // 根據(jù)時(shí)鐘得到現(xiàn)在時(shí)間 std::chrono::system_clock::time_point today = std::chrono::system_clock::now(); std::time_t time_t_today = std::chrono::system_clock::to_time_t(today); std::cout << "now time stamp is " << time_t_today << std::endl; std::cout << "now time is " << ctime(&time_t_today) << std::endl; // 看看明天的時(shí)間 std::chrono::system_clock::time_point tomorrow = today + one_day; std::time_t time_t_tomorrow = std::chrono::system_clock::to_time_t(tomorrow); std::cout << "tomorrow time stamp is " << time_t_tomorrow << std::endl; std::cout << "tomorrow time is " << ctime(&time_t_tomorrow) << std::endl; // 計(jì)算下個(gè)小時(shí)時(shí)間 std::chrono::system_clock::time_point next_hour = today + std::chrono::hours(1); std::time_t time_t_next_hour = std::chrono::system_clock::to_time_t(next_hour); std::chrono::system_clock::time_point next_hour2 = std::chrono::system_clock::from_time_t(time_t_next_hour); std::time_t time_t_next_hour2 = std::chrono::system_clock::to_time_t(next_hour2); std::cout << "tomorrow time stamp is " << time_t_next_hour2 << std::endl; std::cout << "tomorrow time is " << ctime(&time_t_next_hour2) << std::endl; return 0; }
運(yùn)行結(jié)果如下:
now time stamp is 1586662332
now time is Sun Apr 12 11:32:12 2020tomorrow time stamp is 1586748732
tomorrow time is Mon Apr 13 11:32:12 2020tomorrow time stamp is 1586665932
tomorrow time is Sun Apr 12 12:32:12 2020
steady_clock
這是一個(gè)單調(diào)時(shí)鐘,一旦啟動(dòng)之后就與系統(tǒng)時(shí)間沒有關(guān)系了,完全根據(jù)物理是時(shí)間向前移動(dòng),成員函數(shù)只有一個(gè) now()
,通常可以用來計(jì)時(shí),使用方法與 system_clock
相比簡(jiǎn)單許多,下面寫個(gè)小例子。
#include <chrono> #include <iostream> int main() { // 先記錄程序運(yùn)行時(shí)間 std::chrono::steady_clock::time_point start = std::chrono::steady_clock::now(); volatile int nDstVal, nSrcVal; for (int i = 0; i < 1000000000; ++i) nDstVal = nSrcVal; // 做差值計(jì)算耗時(shí) std::chrono::duration<double> duration_cost = std::chrono::duration_cast< std::chrono::duration<double> >(std::chrono::steady_clock::now() - start); std::cout << "total cost " << duration_cost.count() << " seconds." << std::endl; return 0; }
運(yùn)行結(jié)果如下:
total cost 1.9424 seconds.
time point
這個(gè)類與 duration
類似,同樣是模板類,表示具體的時(shí)間點(diǎn),比如今天 18:00 開飯,明天上午 10:00 發(fā)版本,今年 5 月 1 日可能因?yàn)橐咔椴蛔尦鋈ネ媪?,像這些具體的時(shí)間點(diǎn)可以使用 std::chrono::time_point
來表達(dá),它的定義如下:
template<class Clock, class Duration = typename Clock::duration> class time_point;
首先這個(gè)類是在 std::chrono
這個(gè)命名空間下,但是你會(huì)經(jīng)??吹揭韵逻@種寫法:
std::chrono::system_clock::time_point today = std::chrono::system_clock::now(); std::chrono::steady_clock::time_point start = std::chrono::steady_clock::now();
好像 time_point
又在 std::chrono::system_clock
和 std::chrono::steady_clock
范圍內(nèi),實(shí)際上這兩個(gè)范圍內(nèi)的 time_point
引用的是 std::chrono::time point
,看看 std::chrono::system_clock
的定義能明白一些。
class system_clock { public: using rep = /*see description*/ ; using period = ratio</*unspecified*/, /*unspecified*/ >; using duration = chrono::duration<rep, period>; using time_point = chrono::time_point<system_clock>; static constexpr bool is_steady = /*unspecified*/ ; static time_point now() noexcept; // Map to C API static time_t to_time_t (const time_point& t) noexcept; static time_point from_time_t(time_t t) noexcept; };
對(duì)照上面的定義可以知道,std::chrono::system_clock::time_point
實(shí)際上 std::chrono::time_point<system_clock>
,這幾個(gè)時(shí)間類的定義相互引用,看到這一部分的時(shí)候一定不要煩躁,一步步推導(dǎo)分析其中的關(guān)系。
time_point
這個(gè)類有一個(gè)成員函數(shù) time_since_epoch()
用來獲得 1970-01-01 00:00:00
到 time_point
時(shí)間經(jīng)過的 duration
, 返回的 duration
的單位取決于 timepoint
定義時(shí)的 duraion
的單位,不過你也可以得到 duration
之后使用 std::chrono::duration_cast<T>()
函數(shù)來轉(zhuǎn)化。
#include <chrono> #include <iostream> int main() { // 獲得epoch 和 now 的時(shí)間點(diǎn) std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock> epoch = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock>{}; std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock> now = std::chrono::system_clock::now(); // 顯示時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日期和時(shí)間 time_t epoch_time = std::chrono::system_clock::to_time_t(epoch); std::cout << "epoch: " << std::ctime(&epoch_time); time_t today_time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now); std::cout << "today: " << std::ctime(&today_time); // 顯示duration的值 std::cout << "seconds since epoch: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(epoch.time_since_epoch()).count() << std::endl; std::cout << "today, ticks since epoch: " << now.time_since_epoch().count() << std::endl; std::cout << "today, hours since epoch: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::hours>(now.time_since_epoch()).count() << std::endl; return 0; }
運(yùn)行結(jié)果如下:
epoch: Thu Jan 1 08:00:00 1970
today: Sun Apr 12 12:30:04 2020
seconds since epoch: 0
today, ticks since epoch: 1586665804624992500
today, hours since epoch: 440740
從運(yùn)行結(jié)果來看,epoch 的時(shí)間點(diǎn)是 Thu Jan 1 08:00:00 1970
,為什么不是 1970-01-01 00:00:00
呢?那是因?yàn)槲覀冊(cè)跂|8區(qū),格林威治時(shí)間為
1970-01-01 00:00:00
的時(shí)候,我們的時(shí)間就是 Thu Jan 1 08:00:00 1970
,這樣看來 std::ctime()
這個(gè)函數(shù)考慮了時(shí)區(qū)的影響,相同的代碼如果在韓國同時(shí)運(yùn)行得到的可能就是 epoch: Thu Jan 1 09:00:00 1970
。
關(guān)于時(shí)間的思考
思考一個(gè)問題,時(shí)間是不是一種不變的量,或者換一種說法,它是不是一種均勻的量。如果了解過《三體》中的部分章節(jié),你就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間總在被任意改變著。但是在現(xiàn)實(shí)生活中好像時(shí)間就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),我們認(rèn)為它是一成不變的,總是感覺今天的1天和昨天的24小時(shí)在時(shí)間上是等同的,今年的這一年和去年的365天是等同的,但其實(shí)你了解一下閏年、閏秒、夏令時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn),前面提到的這些未必等同。
日常生活中對(duì)時(shí)間的描述只是為了理解和闡明一些事物,我們把太陽升到頭頂叫做中午,把地球自轉(zhuǎn)一圈叫做一天24小時(shí),把地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)一圈叫做1年365天,但是地球自轉(zhuǎn)不是那么均勻的,也就是說每轉(zhuǎn)一圈占用的絕對(duì)時(shí)間是不一樣的,我們現(xiàn)在使用的時(shí)鐘通常是滴答滴答一秒秒的走著,如果地球自轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間不是完全相同的,那么建立在這個(gè)滴答上的一切時(shí)間都是不準(zhǔn)確的。
什么是建立在滴答滴答上的時(shí)間,我們以滴答一次作為1秒來計(jì)算,那么1分鐘是60秒,也就是滴答60次,1小時(shí)是60分鐘,滴答3600次,一天是24小時(shí),滴答86400次,滴答的次數(shù)是均勻的,但是自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是不均勻的,那么兩個(gè)時(shí)間就對(duì)不上了,所以出現(xiàn)了閏秒、閏年等方法來調(diào)整時(shí)間,使得我們用來描述生活的時(shí)間和周圍的環(huán)境現(xiàn)象可以一致,不然大約幾千年以后就會(huì)出現(xiàn)中午12點(diǎn)天上出現(xiàn)月亮的奇觀,那時(shí)的人們?cè)谑窌袝?huì)發(fā)現(xiàn)我們這個(gè)時(shí)代中午12點(diǎn)掛在天上的是太陽,簡(jiǎn)直太玄幻。
有沒有一種計(jì)時(shí)可以描述這種不均勻的自轉(zhuǎn)呢?其實(shí)我們偉大的古人早已經(jīng)發(fā)明出來了,你一定聽說過日晷這種計(jì)時(shí)工具,它是觀測(cè)日影記時(shí)的儀器,主要是根據(jù)日影的在日晷面上的位置,以指定當(dāng)時(shí)的時(shí)辰或刻數(shù),是我國古代較為普遍使用的計(jì)時(shí)儀器。為什么它沒有時(shí)間不一致的問題?因?yàn)樗旧砭褪遣痪鶆虻模歉鶕?jù)自然現(xiàn)象來規(guī)定生活中每天的時(shí)間的,其實(shí)對(duì)照現(xiàn)在來說就是每個(gè)時(shí)辰的滴答數(shù)實(shí)際上是不一樣的。
日晷這種不均勻的計(jì)時(shí)其實(shí)是為了適應(yīng)天文現(xiàn)象,方便人們的生產(chǎn)生活,所以說現(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)一圈是一天,但不一定是86400秒,地球公轉(zhuǎn)一圈是一年,但不一定是365天,后來人們使用電子設(shè)備計(jì)時(shí),按道理來說應(yīng)該非常準(zhǔn)確,但是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的速率都不穩(wěn)定,這種差距漸漸地會(huì)給生活帶來困擾,于是又發(fā)明了一個(gè)折中的協(xié)調(diào)世界時(shí),會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候閏秒、閏天,以彌補(bǔ)這種差距。假如你買了一個(gè)絕對(duì)精準(zhǔn)的不聯(lián)網(wǎng)的電子計(jì)時(shí)器,但是幾年之后你就會(huì)發(fā)現(xiàn)你的計(jì)時(shí)器肯定和大家使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不一致了。
其實(shí)還有一種基于特定銫原子的振蕩周期來確定的國際原子時(shí),主要是在時(shí)間精度要求較高的航天、通訊、電子等領(lǐng)域,為了保持系統(tǒng)的連續(xù)性而使用的,在日常生活中基本不會(huì)使用,但是這個(gè)時(shí)間是相對(duì)恒定的,不會(huì)去計(jì)較天文現(xiàn)象,每一秒都“準(zhǔn)確”的流逝著。
時(shí)間函數(shù)思考
現(xiàn)在回過頭來再來看這些時(shí)間函數(shù),是不是感覺有點(diǎn)不一樣了,比如 time(NULL)
這個(gè)函數(shù),它返回的是從 1970-01-01 00:00:00
到現(xiàn)在時(shí)間的秒數(shù),回憶一下上面關(guān)于時(shí)間的思考,這個(gè)秒數(shù)真的是準(zhǔn)確的嗎?其實(shí)你如果理解了上面的內(nèi)容就能得出結(jié)論,它肯定和國際原子時(shí)是有出入的。
再考慮下閏秒的影響,假如你實(shí)現(xiàn)了一個(gè)函數(shù),第一次執(zhí)行是在0點(diǎn)執(zhí)行,執(zhí)行之后你設(shè)置了一個(gè)86400秒的倒計(jì)時(shí),也就是1天的時(shí)間,到第二天0點(diǎn)的時(shí)候正好又執(zhí)行,你又設(shè)置了一個(gè)86400秒的倒計(jì)時(shí),但今天正好是閏秒的日子,也就是今天會(huì)比昨天多1秒,那么今天的時(shí)間到23:59:59的時(shí)候就經(jīng)過了86400秒,也就是說在23:59:59的時(shí)候就會(huì)執(zhí)行你寫的函數(shù),如果碰到秒殺就尷尬了…
一般的程序開發(fā)不用太考慮閏秒的影響,但是如果這一秒的誤差出現(xiàn)的宇宙飛船的飛行中,可能會(huì)導(dǎo)致幾十公里的誤差,所以程序員們一定要理解閏秒的可能帶來的問題,評(píng)估自己所寫的代碼需不需要處理這種情況。曾經(jīng)的一次閏秒直接導(dǎo)致了芬蘭航空系統(tǒng)的癱瘓,所以一些大型項(xiàng)目還是會(huì)提前很長(zhǎng)時(shí)間就把即將到來的閏秒處理寫入到自己的系統(tǒng)中,以應(yīng)對(duì)它帶來的危險(xiǎn)。
當(dāng)你認(rèn)為時(shí)間不會(huì)倒流的時(shí)候,它確實(shí)就發(fā)生了。我們一般假定時(shí)間不會(huì)倒流,但是如果你過分依賴這個(gè)特性,可能就會(huì)導(dǎo)致一些問題,這種情況常常出現(xiàn)設(shè)定了自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間的電腦上,電腦的時(shí)間走快了,然后到達(dá)一定的差距后會(huì)觸發(fā)校準(zhǔn)程序,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“時(shí)間倒流”的現(xiàn)象,比如 time(NULL)
這種依賴于電腦時(shí)間的函數(shù),在這種情況下函數(shù)返回值就會(huì)變小,出現(xiàn)不單調(diào)性。
總結(jié)關(guān)于時(shí)間的操作真的太多了,我居然發(fā)現(xiàn)一種名為 operator""h
的操作符,與數(shù)字連用表示小時(shí),有興趣的話可以自己擴(kuò)展學(xué)習(xí)一下。durations
、clocks
和 time points
三種有關(guān)時(shí)間操作的定義相互之間是有引用的,需要理清其中的關(guān)系。需要了解閏秒、閏年、天文時(shí)、原子時(shí)、協(xié)調(diào)時(shí)產(chǎn)生的原因,這樣就可以做到熟悉原理,心里不慌。在測(cè)試的例子中出現(xiàn)了時(shí)區(qū)的概念,其實(shí)是人們?yōu)榱松a(chǎn)生活主動(dòng)創(chuàng)造出來以適應(yīng)自然現(xiàn)象的。這里拋出一個(gè)疑問,我之前剛接觸時(shí)暈乎了很久,后來漸漸才明白,有些時(shí)間函數(shù)的說明中會(huì)提到與時(shí)區(qū)無關(guān),比如 time(NULL)
、還有今天學(xué)習(xí)的 system_clock
,但是當(dāng)我修改電腦時(shí)區(qū)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn),這些函數(shù)的返回值會(huì)發(fā)生突變,大家有探究過其中的原因嗎?
我們都是追逐時(shí)間奔跑的螻蟻,改變世界的同時(shí)也被時(shí)間改變著。
總結(jié)
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