std::chrono用法解析

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std::chrono是C++11引入的一个全新的有关时间处理的库。

新标准以前的C++往往会使用定义在ctime头文件中的C-Style时间库std::time。

相较于旧的库，std::chrono完善地定义了时间段（duration）、时钟（clock）和时间点（time point）三个概念，并且给出了对多种时间单位的支持，提供了更高的计时精度、更友好的单位处理以及更方便的算术操作（以及更好的类型安全）。

下面，我们将逐步说明std::chrono用法。

Tips：本文参考的库代码主要来自MSVC，少部分来自GCC

chrono库概念与相关用法

时间段（duration）

时间段被定义为std::chrono::duration，表示一段时间。

它的签名如下：

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template<
    class Rep,
    class Period = std::ratio<1>
> class duration;

Rep是一个算术类型，表示tick数的类型，笔者一般会将其定义为int或者long long等整数类型，当然浮点数类型也是可行的。

Period代表tick的计数周期，它具有一个默认值——以一秒为周期，即 \(1\) \(\mathrm{tick}/\mathrm{s}\)。单位需要自行指定的情况会在后面涉及，这里暂时不讨论。

简单来说，我们可以认为一个未指定Period的duration是一个以秒为单位的时间段。

一个简单的例子：

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#include <chrono>
#include <thread>
#include <iostream>
int main()
{
    std::chrono::duration<int> dur(2);
    std::cout << std::chrono::time_point_cast<std::chrono::seconds>
                (std::chrono::steady_clock::now())
                .time_since_epoch().count() << std::endl; // 以秒为单位输出当前时间
    std::this_thread::sleep_for(dur);
    std::cout << std::chrono::time_point_cast<std::chrono::seconds>
                (std::chrono::steady_clock::now())
                .time_since_epoch().count() << std::endl; // 以秒为单位输出当前时间
    return 0;
}

这段代码的作用是输出当前时间，随后睡眠两秒，再输出当前时间。dur描述了一个2秒的时间间隔。

duration支持几乎所有的算术运算。通俗地说，你可以对两个duration做加减运算，也可以对某个duration做数乘运算。

时间单位

一般地，在未经特殊指定的情况下，我们认为C++以秒为默认单位。

为了方便地引入其他单位，我们会使用std::ratio，有关它的具体行为可以参考std::ratio Documentation。在这篇文章中，我们只需要知道它是一个表示常数比例的类型，并且它是一个编译期常量。

下表给出了一些SI单位制中常用的比例，C++的标准库提供了这些比例的语法糖。

image-20240126001319598

基于这份比例表，C++标准库为我们常用的时间单位提供了一些语法糖

image-20240126002441567

笔者在这里简单翻译一下图中的文字说明：

int XX是指这个类型的tick数类型是一个至少具有XX位的有符号整数

到hours为止每个预定义类型至少可以覆盖±292年。

C++20中引入的days、weeks、months和years的单位至少可以覆盖±40000年。一年被定义为365.2425天（格里高利年的平均长度），一月被定义为30.436875天（一年的十二分之一）。

定义在std::chrono的时间单位事实上是一个duration，描述一个时间段。因此我们容易见得：

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std::chrono::duration<long long> dur1(2);
std::chrono::seconds dur2(2);

这一段代码中的dur1和dur2应该是等价的。

为了简化使用并且增强可读性，在没有特殊单位需求的情况下，笔者建议使用第二种方式定义时间段。

当然，引入std::ratio为我们自定义时间单位带来了可能性。

一个例子：

现在， 出于一种不可明说理由，我们引入了一个新的时间单位，记作\(\mathrm{A}\)，其中\(1\mathrm{A}=500\mathrm{ms}\)。为了描述使用这个单位记录的duration，我们可以这样定义：

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std::duration<long long,std::ratio<1,2>> dur; // 1/2s=0.5s=500ms

这样就实现了自定义单位的需求。

当然，duration的单位转换也是支持的，只需要使用duration_cast即可。

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std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(dur)

这个表达式将返回一个新的duration，时间长度保持一致，但是其单位将会是纳秒。

时钟（clock）

时钟由两部分构成，分别是起始点（starting point or epoch）和计时频率（tick rate）。

一个简单的例子是Unix时间戳，我们可以将其视为一个起点为1970年1月1日，计时频率为 \(1\) Hz（ \(1\) tick/s）的时钟。

C++11中提供了三种时钟，包括system_clock、steady_clock、high_resolution_clock. 这些时钟的now方法均会返回当前的时间点（time point），即从起始点开始的tick数。

注意，这三个时钟都不会考虑闰秒，我们会暂时略过相关内容的讨论，在必要时我们会简要说明不考虑闰秒的原因

system_clock

顾名思义，这是一个系统时钟，表示操作系统的实时时间。

需要注意的是，这个时钟的单调性是不被保证的。原因是显而易见的：用户或者系统可以在任何时候出于任何理由（夏令时调整、时区调整等）改变系统时间。因此它实际上表示了现实世界的时钟（wall clock，墙上时钟），这个时钟很适合直接记录和计划与现实时间直接相关的任务。

需要注意的是，C++20以前的标准并没有具体规定system_clock的实现。但是，多数system_clock的实现都使用Unix时间。

不过，在C++20之后，system_clock的实现就被规定为Unix时间了。

另外，这是唯一一个可以和C风格的std::time的时间戳构成双射的时钟，因此std::chrono中提供了to time_t和from time_t两个方法。

steady_clock

这一时钟与system_clock最大的不同就是单调性。system_clock由于直接与现实时间相关联，因此单调性无法保证。但是steady_clock是一个稳定的时钟源，它的now方法返回的时间总是单调递增的，并且每个tick之间的时间差总是一个常数。

一个值得注意的地方是，这个时钟的计时起点是未指定的。

This clock is not related to wall clock time (for example, it can be time since last reboot), and is most suitable for measuring intervals.

From std::chrono::steady_clock

这样的设计是有意而为之的——这一时钟并不被设计在表示日历时间的场景中使用。如上方所说，这一时钟最合适的用途是用于测量时间间隔（作为定时器的时钟源）。

high_resolution_clock

这一时钟是当前平台分辨率最高的时钟，其实际精度和分辨率一般取决于具体的平台。事实上，在大多数的实现中，这一时钟只是system_clock和steady_clock的别名——因此其单调性也几乎无法保证。

截至笔者完成本文的时间GCC的标准库libstdc++中high_resolution_clock是system_clock的别名，而MSVC的标准库中high_resolution_clock是steady_clock的别名，LLVM的标准库libc++对这一时钟的定义则是两者的复合体——在具有单调时钟时使用steady_clock，否则使用system_clock。

如果你的程序中使用了这个时钟并且有跨平台的需求，这将带来程序行为不一致的风险。

除非你认为非常有必要，否则我们建议减少对这个时钟的使用。

为什么不讨论闰秒？

如果你不关心这个问题，你可以跳过这一段。

在前面提到过，这样的设计是有意而为之。因为闰秒并不像我们所说的闰年一样，具有一个可计算的公式。

如果将地球自转一周的时间均分为86400份，将一份定义为一秒，我们就得到了秒的一种定义，根据这种秒的定义所得到的时间我们记为世界时UT1。

但是地球自转一周的时间是不稳定的，这一点不展开讨论，我们只需要知道它是客观存在的。因此，我们需要更稳定的秒的定义——铯-133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁相对应辐射周期的9192631770倍所持续的时间定义为一秒。由这种方法计量的时间我们记为原子时TAI。

世界时是符合人类直观，具有直接指导生产意义的时间，但是具有不稳定性。原子时稳定，但是由于地球自转的不稳定性，会与世界时形成不小的误差。

为了弥补这个误差，我们引入一种新的时间，也就是我们现在常用的时间——协调世界时UTC。

它以TAI为基础，为了避免误差累积，每当UTC和UT1的误差接近1秒时，就会插入闰秒以修补这个误差。但是插入的时间并不确定，事实上，它由对应的国际组织提前六个月发布处理。

作为一个编程语言，C++不具备预测人类活动或者地球自转快慢的能力，因此不考虑闰秒是一个正常的选择。这个问题被交给程序员来解决。

截至目前，由于插入闰秒的做法带来了很多破坏性的影响，已有提案声明要求取消闰秒。预计在2035年后，不再引入新的闰秒。

时间点（time_point)

时间点的意义是自然的，它代表时间轴上的一个点。为了定义它，你需要提供一个时钟作为参考系，一个tick数标记这个time_point代表的点。一般的实现是作为一个特殊的duration，简单来说，它是一个起点固定的duration（固定为指定时钟的起始点）。因此，它的构造方法就是提供一个时钟，并且提供一个duration代表具体时钟起点的长度。

当然这不意味着这两个类具有继承关系。事实上，这是一种帮助理解的说法。

它的签名如下：

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template<
    class Clock,
    class Duration = typename Clock::duration
> class time_point;

一个简单的例子：

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std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock> 
    start(std::chrono::duration<int>(10));

这段代码定义了一个名为start的时间点，标记了1970年1月1日0时0分10秒（Unix时间起点+10s）的时间点。

可以这样看，我们提供了system_clock作为模板参数，这代表着这个时间点以system_clock为参考系，我们传入一个长度为10s的duration表示我们需要标记system_clock纪元（epoch）10秒后的一个点。

当然，也有这样的定义方法

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std::chrono::system_clock::time_point start(std::chrono::duration<int>(10));

这两者是等价的。

因为time_point是特殊的duration，因此它也可以进行一些算术操作。

值得注意的是，由于time_point的实际含义是一个点，对一个点的数乘是无意义的，所以time_point并不能支持数乘运算。

其他的加减操作是符合直观的，概括地说：

  • 时间点和时间段相加减得到新的时间点。
  • 时间点与时间点相减得到新的时间段。

自然地，time_point也是可以进行单位转换的，只要类比duration_cast的用法，使用time_point_cast即可。

简化的表示——chrono_literals的使用

chrono_literals是std::literals的一个子命名空间，引入这个命名空间之后我们可以简化时间的表示。

一个例子是：我们可以用10s等价代替std::chrono::seconds(10)。

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C++认为10s是一个字面量（literal），代表std::chrono::seconds(10)，正如一个不带后缀的字面量10代表一个int类型的整数10一样。

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using namespace std::literals::chrono_literals;
std::chrono::system_clock::time_point start(10s);

于是，我们有了这样更加直观的写法。

参考资料

Date and time utilities - cppreference.com

闰秒 - 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)