「小满」C++ chrono 库使用学习笔记

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本文是我学习 C++ chrono 库时的学习、思考的临时笔记。很多地方可能存在谬误，请读者带着批判性的目光阅读。

学习 chrono 库重要点是了解其中三个重要概念及它们之间的联系：

  • 时钟 (clock)
  • 时间点 (time_point)
  • 时间间隔 (duration)

上面三个重要概念是我依靠自己感觉总结出来的，名字也是自己起的，可能有失偏颇，但大体应该如此。个人觉得这三个名字也可以很直观地来理解他们的意义。在 C++ 的 chrono 库中，他们相互之间的联系也很直觉，如时钟可以获得时间点，两个时间点的差为时间间隔，时间点加上一个时间间隔即是另外一个时间点。

时钟 (clock)

时钟的用途就是用来获取时间点。chrono 标准库中提供了三种（我目前知道的）时钟，分别为：

  • std::chrono::system_clock ：系统时钟，用于表示现实世界时间的时钟，如现在是几点等。该时钟不保证单调递增，受系统时间的影响，当系统时间发生调整时，system_clock 的读数可能会发生跳变 / 倒退。
  • std::chrono::steady_clock：单调递增时钟，主要用于测量时间间隔，如程序运行计时等。不受系统时间的影响。类似于 clock_gettime 中的 CLOCK_MONOTONIC。
  • std::chrono::high_resolution_check：最高精度时钟，拥有最高的时间精度，适合用于性能计时和测量时间间隔。
    在某些实现中，high_resolution_clock 可能是 system_clock 或 steady_clock 的别名。因此，它可能具有 system_clock 或 steady_clock 的特点，具体取决于实现。

这三种时钟类型的精度和特性可能因平台和实现而异。

对于时钟来说，最常用的成员函数应该是 now()，即获取当前的时钟时间。

对于 system_clock，还有两个较为常用的成员函数，为 from_time_t 和 to_time_t，即通过 C 风格下的 time_t（即以秒计的时间戳），来获取该时间戳下的时间点 (time_point)。或将时间点转换为 C 风格下的时间戳。

时间点 (time_point)

时间点即为特定时钟下的某个时刻。也就是说，chrono 库中，如果要指定一个时间，需要确定三个元素。

  1. 是哪种时钟下的时间点
  2. 这种时钟下的纪元（即零点时间）是什么，（如我们熟知的 UTC 1970-01-01 00:00:00）
  3. 该时间点距离纪元的时间间隔是多久。

时间间隔 (duration)

时间间隔即两个时间点相距多久。chrono 库中，要表示时间间隔，要确定以下两点：

  • Rep：数据表示方式（存储类型），如 int，float，uint64_t。
  • Period：时间间隔单位，如秒、毫秒、分钟。
    在库内实现中，以 std::ratio 为表示，如 std::ratio<1, 1> （即 1），表示秒；std::ratio<1, 1000>，即 0.001 ，表示毫秒；std::ratio<60, 1>，即 60 ，表示分钟。

对于常用的时间间隔类型，chrono 中已包装好，拿来即用就可，如 std::chrono::seconds 表示秒，std::chrono::hours 表示小时。 std::chrono::seconds dur {5} ，这样，我们就定义了一个 5 秒的时间间隔变量。在 C++ 20 中，又加入了天（days）、月（months）、年（years）的类型。

从 C++14 开始，chrono 加入了 literals，可以帮我们更方便地表达时间间隔，更符合人类的语义习惯。如 auto dur = 3s，就定义了一个 3 秒的时间间隔。（有些小吐槽，见后面的吐槽部分）

不同时间间隔类型之间当然是可以相互转换的，它们通过 std::chrono::duration_cast 来进行转换，如，auto dur = std::chrono::duration<std::chrono::minutes>(120s)，这样，我们可以将 120 秒转换为 2 分钟。

对一个时间间隔变量使用 count 成员函数，可以获得其单位下的间隔时间，如 (120s).count()，我们则可以获得到 120 。

三个概念关系

时钟可获得时间点。

时间点是特定时钟下距离时钟纪元一定时间间隔的时刻。

时间点 加 / 减 时间间隔得到另一个时间点。时间间隔之间可以加减，得到新的时间间隔。时间间隔也可以乘除一个倍数，用于放大 / 倍缩该时间间隔。

这些都很直觉。C++ chrono 中的类型设计还是很符合人类语义习惯的，这也是我很喜欢 C++ 的一个地方。

使用 fmtlib 格式化时间

TODO

一些小吐槽

上面我们提到，C++11 中，就有了 seconds 、minutes 、hours 等类型的时间时间，但是对于天、月、年这个级别的时间间隔的支持，拖延到了 C++20 才进入标准。

在 chrono 的 literals 支持上，C++14 中我们可以方便地使用 60s，30min，12h 来表示时间间隔，但却不支持天、月、年。C++ 20 中加入了 d, y，来表示天和年，但注意，这是日期上的日和年，而不是时间间隔上的！（如 23d 表示某一个月的 23 号，而非时间长度上的 23 天）年可以理解，毕竟不同年份的时间不一致，但没有加入天数上的字面词，在代码风格上不能与秒、分钟达成统一，（如，我表达 3 秒可以写作 3s，表达 10 天却要写成 days {10}）我感觉还是有些不完美、略有遗憾吧。

我们可以通过 24h * 10 来表达 10 天，却不能够使用 (10 * 24)h，我觉得也是在语言设计上的一点缺陷，后者这明明是 constexpr 的，也有些遗憾吧。

感悟

我之所以写这篇学习笔记，是因为在新的工作中，我需要记录时间，用于计算特定时间内处理了多少条数据等，并打印出日志来进行方案评估。

我自诩为看过一些 C++ 书的，了解一些 C++，却从未正式地写过 C++。于是知道有这种 API，却没有真实地使用过这个 API，没有实践的经历及由此而来的肌肉记忆。因此在写代码时，不能够很流畅地写出，感觉很生涩。真实地感受到了 “纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”

我们总说，编程语言没那么重要，数据结构、算法、系统架构这些才是重要的。这句话我是认可的，但令一方面，我觉得对程序员来说，编码是我们表达我们思想的方式。语言决定者对语言底层思想的设计，我们对该语言的理解、应用能力，（一定程度上）决定了我们在写代码时表达我们思想的能力。

写这篇笔记时，刚好是小满（虽然写完不是了）。我很喜欢这个节气，万物至此，小得圆满，很有中国传统哲学的智慧。