C++11时间具体解释

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C++ 11添加了三个与时间相关的类型：时间段、时钟、时间点。

以史为鉴

现有的系统API中，时间太过于碎片化了。有time_t(秒)、struct timeval(微秒)、struct timespec(纳秒)这几个时间单位，他们的接口非常不统一，点击这里能够体会一下。主要原因：是由于新业务的需求，要求提供不同精度的时间。

于是每次出现新需求就定义一个新类型。

为此，C++11提出一个”一统江湖”的做法，避免这类现象的发生。

       时间精度事实上也就是时间分辨率。

抛开时间量纲单论分辨率。事实上就是一个比率。如：10001、101、11 、110、11000。

这些比率加上距离量纲就变成距离分辨率，加上时间量纲就变成时间分辨率了。为此，C++11定义了一个新的模板类ratio。用于表示比率。定义例如以下：

//#include<ration>
template<std::intmax_t Num, std::intmax_t Denom = 1> //前者是分子，后者是分母
class ratio;

为了方便，C++标准委员会还提前定义了以下这些分辨率，供用户使用。

//#include<ratio>
typedef ratio<1,       1000000000000000000> atto;
typedef ratio<1,          1000000000000000> femto;
typedef ratio<1,             1000000000000> pico;
typedef ratio<1,                1000000000> nano;
typedef ratio<1,                   1000000> micro;
typedef ratio<1,                      1000> milli;
typedef ratio<1,                       100> centi;
typedef ratio<1,                        10> deci;
typedef ratio<                       10, 1> deca;
typedef ratio<                      100, 1> hecto;
typedef ratio<                     1000, 1> kilo;
typedef ratio<                  1000000, 1> mega;
typedef ratio<               1000000000, 1> giga;
typedef ratio<            1000000000000, 1> tera;
typedef ratio<         1000000000000000, 1> peta;
typedef ratio<      1000000000000000000, 1> exa;

时间段

30分钟。0.5秒都表示一段时间。

由此能够得到：一段时间是由”数值+时间单位”组成的。反映在编程上就是要存储两个变量。显然，数值有整数和小数两种，到底是使用整数(int)还是小数(double)应该由用户指定。无疑。用模板表示之是非常合适的。结合前面提到的时间精度，不难得出一段时间应该定义为例如以下形式：

//#include<chrono>
template<class Rep, class Period = std::ratio<1> >
class duration;

于是，30秒就有以下几种表示方式：

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
std::chrono::duration<int, std::ratio<1,1>> a(30);//30秒
std::chrono::duration<int> b(30);//30秒
std::chrono::duration<int, std::ratio<1, 1000>> c(30000);//30 000毫秒
std::chrono::duration<double, std::ratio<60,1>> d(0.5);//半分钟

同样，C++标准委员会提前定义了以下这些类型。供我们直接使用。

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>>

又是讨厌的implementation-defined，gcc4.9.0的一个实现为：

typedef duration<int64_t, nano>         nanoseconds;
typedef duration<int64_t, micro>        microseconds;
typedef duration<int64_t, milli>        milliseconds;
typedef duration<int64_t>           seconds;
typedef duration<int64_t, ratio< 60>>   minutes;
typedef duration<int64_t, ratio<3600>>  hours;

当定义了一个时间段后，怎样从中得知该时间段类型的rep和period模板參数的类型呢？事实上，当我们用详细的类型实例化duration模板类后，实例化的类就会有rep和period这两个成员类型。

于是，能够借助C++11中的关键字decltype以及直接从定义中获取。

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typedef std::chrono::duration<int, std::ratio<60>> Minus;
Minus::rep a = 30; //a是int类型
Minus::period per;//per的类型是 std::ration<60, 1>。

即per.num 为60， per.den 为1

Minus twenty_seconds(20);
decltype(twenty_seconds.count()) b = 30;//后面会介绍count()的返回值类型, b的类型为int
decltype(twenty_seconds)::rep e = 40;//e的类型为int

duration模板类提供了一个成员函数count()用户获取该时间段的值，这个值也称为滴答数。它的返回值类型就是实例化后成员类型rep。

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
std::chrono::seconds twenty_sec(20);
int c = twenty_sec.count();//c等于20
std::chrono::duration<double> half_sec(0.5);
double d = half_sec.count();//d等于0.5

时钟

时钟有电子表、怀表、秒表、原子钟等。这些时钟的时间精度有所不同。此外，对于电子表的时间是无法取小数的，而怀表则能够人为地取小数。这说明不同的时钟也会有前面时间段类型duration的rep和period这两个属性。而且也是以成员类型的形式出现。但时钟类本身不是模板类。

       C++11为我们提供了三种时钟类型：system_clock、steady_clock、high_resolution_clock。 这三个时间类都提供了rep、period、duration成员类型。

由于各个系统能提供的时间精度可能不同。所以period的真正类型是implementation-defined的。这三个时钟类都提供了一个静态成员函数now()用于获取当前时间，该函数的返回值是一个time_point类型。后面会介绍。

注意：。尽管这三个时钟都非常多同样的成员类型和成员函数。但它们是没有亲缘关系的。

这三个时钟类型都是类。并不是模板类。

这三个时钟有什么差别呢？system_clock就相似Windows系统右下角那个时钟。是系统时间。

明显那个时钟是能够乱设置的。

明明是早上10点，却能够设置成下午3点。steady_clock则针对system_clock能够任意设置这个缺陷而提出来的，他表示时钟是不能设置的。

想了解很多其它，能够点击这里。high_resolution_clock则是一个高分辨率时钟。

       system_clock除了now()函数外，还提供了to_time_t()静态成员函数。用于将系统时间转换成熟悉的std::time_t类型。得到了std::time_t类型的值。就能够非常方便地打印当前时间了。

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
auto tp = std::chrono::system_clock::now();
std::time_t cur_time = std::chrono::system_clock::to_time_t(tp);
std::string str_time = std::ctime(&cur_time);
std::cout<<str_time<<std::endl;

注意：不要将steady_clock、high_resolution_clock时钟的now()返回值作为to_time_t的參数，这会导致编译通只是。由于类型不匹配。后面会详细解释。

       事实上。假设读者有把刚才那个链接点开，并去了解的steady_clock的话，不用了解now()返回值类型就能知道这样做肯定是不行的了。

steady_clock的实现是使用monotonic时间，而monotonic时间通常是从boot启动后開始计数的。

明显这不能获取日历时间(年月日时分秒)。

那么steady_clock有什么用途呢？时间比較！而且是不受用户调整系统时钟影响的时间比較。

简单的样例例如以下：

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
auto begin = std::chrono::steady_clock::now();
for(int i = 0; i < 10000000; ++i)
{
    //复杂的数学运算
}
auto end = std::chrono::steady_clock::now();
auto diff = (end - begin).count();//end-begin得到一个duration类型
std::cout<<diff<<std::endl;

即使在做数学运算的时候，有人改动了系统时间。也能准确计算出for循环消耗的时间。

时间点

前面已经指出：时钟类的now()函数的返回值是一个time_point类(型)。不言而喻。时间点(time_point)必定是时钟相关的。从怀表读取到的时间(点)唯独小时、分钟、秒，手机则能提供日期+时分秒。

此外。不同一时候钟提供的时间精度也有所不同。所以，时间点(time_point)类至少得有时钟类型、时间精度这两个属性。

同前面介绍的时间段模板类一样。这两个属性也是以模板參数的形式出现。

time_point的定义例如以下：

//#include<chrono>
template< class Clock, class Duration = typename Clock::duration >
class time_point;

时间精度是duration类，默认的时钟模板參数提供的duration。时钟模板參数除了前面介绍的那三个时钟(这是C++默认提供的)外，还能够是码农自定义的时钟类。

同前面的时间段类和时钟类一样，时间点类也提供了rep、period、duration、clock这几个成员类型。

前面已经指出，各个时钟能提供的时间精度是implementation-defined的。

所以应该如以下代码那样获取时钟的now()函数返回值。

auto tp = std::chrono::system_clock::now();
std::chrono::system_clock::time_point tp = std::chrono::system_clock::now();

以下代码是不对的，不具有可移植性。样例来自stackoverflow。

std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock,std::chrono::nanoseconds> time_point;
time_point = std::chrono::system_clock::now();

除了从时钟类的now函数中获取一个time_point，还能够直接构造一个time_point对象。

time_point模板类的构造函数有无參的、用duration作为參数这两个构造函数。对此，我感到非常奇怪：直接构造出来的time_point有什么含义呢？

time_point有一个time_since_epoch()成员函数。返回从epoch时间到此刻的时间段。

epoch时间是时钟的开启时间。

对于system_clock和high_resolution_clock来说，epoch是1970-01-01T00:00:00。熟悉C语言time()函数的读者对此应该不陌生。

steady_clock时钟则是boot启动时间，所以不应该对steady_clock::now()返回的time_point调用time_since_epoch()。以下是霸王强上弓使用，打印出来的时间是1970年的。

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
auto tp = std::chrono::steady_clock::now();
std::time_t cur_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(tp.time_since_epoch()).count();
std::string str_time = std::ctime(&cur_time);
cout<<str_time<<endl;

假设time_point不是从时钟类的now()返回值得来的，而是直接构造出来的话，那么它调用time_since_epoch()的返回值就等同于构造函数中的duration參数。

运算

一段时间的加减乘除无疑是合理的，当然关系比較也是合理的。C++标准委员会还把取模运算也变成合法的了，不只模一个数值合法，模duration类也是合法的。于是有以下这些运算：

详细的使用样例就不写了。读者能够參考en.cppreference.com

       上面的运算都是二元运算，假设參与运算的两个duration具有同样的模板參数。那直接执行就可以。假设不同，那么将发生隐式转换：int->double; 低分辨率->高分辨率。比方：

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std::chrono::duration<int> two(2);
std::chrono::duration<double, std::ratio<60>> thirty(0.5);

auto ad = two + thirty;
cout<<sizeof(decltype(ad)::rep)<<endl;//8
cout<<ad.count()<<"\t"<<decltype(ad)::period::num<<"/"<<decltype(ad)::period::den<<endl;//32  1/1

假设參与运算的两个duration具有不同的模板參数。那么能不能进行+=和-=这里运算呢？a+=b等同于a=a+b。a+b肯定是能够的，如今问题转换为a=c是否可行？从低精度(包括Rep和Period)到高精度的隐式转换是可行的，反之则是不能够的。由于这将导致截断。丢失部分信息。

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std::chrono::minutes a(30);
std::chrono::seconds b = a;//OK
std::chrono::minutes c = b;//compile error

std::chrono::duration<double, std::ratio<60>> d(3);
std::chrono::seconds e = d;//compile error
std::chrono::duration<double> f = d;//OK

假设确实须要进行转换的话，那么须要使用duration_cast进行显式转换。

//Author: luotuo44   http://blog.csdn.net/luotuo44
std::chrono::seconds a(30);
std::chrono::minutes b = std::chrono::duration_cast<std::chrono::minutes>(a);
cout<<b.count()<<endl;//结果是0

//以下是system_clock时钟类to_time_t函数的gcc实现
static std::time_t to_time_t(const time_point& __t) noexcept
{
    return std::time_t(duration_cast<chrono::seconds> (__t.time_since_epoch()).count());
}

time_point类也有一些运算，例如以下图：

gcc4.9.0实现time_point模板类时，time_point内部有一个duration类型的成员变量。所以对于tp+=d和dp-=d的实现，都是直接对内部的成员变量直接调用+=，-=。所以调用者必须保证精度的正确性，否则编译出错。