C++ std::chrono库使用指南 (实现C++ 获取日期,时间戳,计时等功能)（一）

1. 引言

1.1. std::chrono库的主要功能

std::chrono是C++标准库中的一个组件，用于表示和处理时间。其功能就像是心理学中的感知系统，它可以为我们捕捉、量化并操作抽象的时间概念。这就如同我们的大脑可以理解和感知周围环境的时间流逝一样，这种感知和理解能力是人类进行日常活动所必需的。

如同马斯洛的需求层次理论中，生理需求位于最底层，时间感知就是计算机程序在处理各种任务时的基础需求，如果没有这个能力，计算机程序将无法进行任何有效的操作。

std::chrono库主要包含以下功能：

• 时间点：表示特定的时间点，比如当前的时间。这如同人们通过记忆可以回忆起特定的时刻。
• 时间段：表示时间的长度，比如1秒，1分钟，1小时等。这如同人们能够感知时间的流逝，理解"早","晚"等概念。
• 时钟：用于获取当前的时间点，有三种类型的时钟：system_clock，steady_clock和high_resolution_clock。这如同人们通过看表来知道现在的具体时间。

为了更好的理解这些功能，让我们看一下下面的表格：

接下来，我们将详细探讨std::chrono库的各种子类如何使用，以及如何在实际编程中应用这些知识。

2. std::chrono库的子类介绍与应用

2.1. std::chrono::system_clock的用法和示例

我们的生活在时间的流逝中不断推进，这个自然的过程在C++中被封装在了std::chrono::system_clock这个类中。我们如同航海者使用指南针导航一样，可以借助system_clock在编程的海洋中导航。

std::chrono::system_clock是一个代表系统广泛使用的实时钟的类。它表示当前的墙上时间，从中可以获得当前时间，也可以在时间点上执行算术运算。

获取当前时间

你可以想象std::chrono::system_clock就像是一个不断向前的时间车轮。要获取当前时间，你只需要使用now()成员函数。看下面的代码：

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

这就像是在你的时间旅行中按下暂停按钮，捕捉到了一个时间点。这个点可以被保存，可以用来与其他时间点做比较，或者用作时间运算。

从time_point获取具体时间

system_clock::time_point表示一个时间点。但是我们通常需要更人性化的表达方式，比如年、月、日、小时、分钟和秒。这时候，我们可以像打开一个礼物盒一样，打开这个time_point，取出我们需要的信息。请看下面的代码：

std::time_t tt = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
std::tm* ptm = std::localtime(&tt);
std::cout << "Current time is: " << std::put_time(ptm,"%c") << std::endl;

这段代码就像是在一个连续的时间轴上拨动时间，找到那个特殊的瞬间，并用人们熟悉的方式表达出来。

进行时间运算

有时候，我们会需要对时间进行一些计算，比如计算从现在开始的某个时间点是何时。这时候，我们就像是在时间的河流中划动桨板，按照我们的意愿改变时间的前进。请看下面的代码：

std::chrono::system_clock::time_point in_an_hour = std::chrono::system_clock::now() + std::chrono::hours(1);

这就像我们在时间的河流中向前推进了一小时。

通过上述的学习和比喻，你可能已经对std::chrono::system_clock有了一些了解。接下来，我们将通过实际的示例，来深入探讨和使用这个强大的类。

2.2. std::chrono::steady_clock的用法和示例

想象一下，你正在烹饪一道需要精确时间的菜肴，你可能需要一个计时器来确保你的食物得到正确的烹饪时间。在这种情况下，你不希望因为 daylight saving time（夏令时）或者系统时钟调整等导致你的时间计算出错。在C++中，这就是std::chrono::steady_clock的用途。

std::chrono::steady_clock是一个表示物理时间流逝的时钟，不受任何外部因素（如用户修改系统时间，夏令时等）的影响。就像是你的厨房里的计时器，它按照一致的速度前进，不会突然快了或慢了。

获取当前时间

和std::chrono::system_clock一样，你可以通过调用now()函数来获取当前的std::chrono::steady_clock::time_point。看下面的代码：

std::chrono::steady_clock::time_point start = std::chrono::steady_clock::now();

这就像你在开始烹饪时按下计时器的开始按钮。

计算经过的时间

在你的菜肴烹饪完成后，你可能会想知道实际的烹饪时间。同样，在C++中，你可以通过减去开始时间来得到一个std::chrono::steady_clock::duration，这个duration表示了一个时间段。看下面的代码：

std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
std::chrono::steady_clock::duration elapsed = end - start;

这就像你在结束烹饪时查看计时器，看你的食物烹饪了多长时间。

转换时间单位

std::chrono::steady_clock::duration给出的默认时间单位可能并不是你想要的。比如，默认可能给你的是微秒级别的时间，但你可能想要以秒为单位的时间。这时候，你就需要转换时间单位。看下面的代码：

long long elapsed_seconds = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(elapsed).count();

这就像你将计时器的显示从“分钟:秒”转换为“总秒数”。

通过对std::chrono::steady_clock的学习，你可以像烹饪大师一样掌握时间，在编程的厨房里烹饪出美味的代码。

2.3. std::chrono::high_resolution_clock的用法和示例

考虑到现实生活中，我们有时候需要对时间进行极度精确的测量，比如科学实验或者高精度事件的时间戳，std::chrono::high_resolution_clock就像是我们手中的精密计时器，提供了尽可能高的时间分辨率。

std::chrono::high_resolution_clock是一个特殊的时钟，它提供了最高的可用时间分辨率。它通常是std::chrono::system_clock或std::chrono::steady_clock中的一个类型别名，具体取决于具体平台和库实现。

获取当前时间

使用std::chrono::high_resolution_clock获取当前时间就像我们按下精密计时器的按钮，记录下现在的时刻。如下所示：

std::chrono::high_resolution_clock::time_point start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

计算经过的时间

我们可以通过比较两个时间点来计算经过的时间，就像精密计时器可以为我们提供精确到纳秒级别的时间间隔。请参考以下代码：

std::chrono::high_resolution_clock::time_point end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::chrono::high_resolution_clock::duration elapsed = end - start;

转换时间单位

和其他时钟一样，我们可能需要将std::chrono::high_resolution_clock::duration的时间单位进行转换，使其满足我们的需求。例如，我们可以将时间间隔转换为微秒，如下所示：

long long elapsed_microseconds = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(elapsed).count();

这就像你的精密计时器可以以各种不同的时间单位来显示测量结果。

通过理解和应用std::chrono::high_resolution_clock，我们可以像使用精密计时器一样，在编程世界里精确地测量和控制时间。

3. 获取时间戳 (Obtaining Timestamps)

3.1. 使用std::chrono::system_clock::now获取当前时间戳

在我们的日常生活中，我们依赖时间去安排我们的日程，设置闹钟，甚至计算烹饪的时间。在编程的世界里，时间同样重要，而std::chrono::system_clock::now就是我们获取当前时间戳的工具。

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

这就像你打开手机看看现在几点一样简单。从心理学的角度看，人类对时间的感知并不准确，我们的大脑经常会过度估计或低估实际的时间流逝。但是，计算机是完全精确的，它们对时间的把握可以精确到微秒级。

获取当前时间点的详细日期和时间

有时候，我们需要知道更多的信息，比如当前的具体日期和时间。为此，我们可以使用C++的time_point转换为time_t，然后再使用标准库中的localtime函数来获取详细信息。

auto now = std::chrono::system_clock::now();
std::time_t t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
std::tm* now_tm = std::localtime(&t);

这就像你从简单地知道现在是下午转变为知道现在是下午3点25分。在编程中，这个功能非常有用，比如在记录事件或者在debug中打印出具体的时间点。

获取时间戳的应用

获取时间戳的应用广泛而且重要。例如，在性能调优时，你需要知道代码执行的具体时间，或者在日志记录时，你需要记录事件发生的准确时间。你可以将std::chrono::system_clock::now想象成一个永不停息的时钟，它可以精确地告诉你现在的时间。当你需要测量一段代码的运行时间时，只需要在代码开始和结束时各取一个时间戳，然后将它们相减，就可以得到运行时间。

人们对于时间的需求，从基本的查看时间，到计算间隔，再到记录精确的时间戳，编程语言都提供了强大的工具来满足。在C++中，std::chrono::system_clock::now就是这样一个强大的工具。

3.2. 时间戳的转换和应用

在许多场景中，我们需要将时间戳（Timestamp）转换为更容易理解和使用的格式。同时，我们可能需要在不同的时间单位之间进行转换。好在C++中的std::chrono库提供了丰富的函数和类来满足这些需求。

时间戳转换为具体日期和时间

获取的时间戳通常是从某个参考点（通常是Epoch，1970年1月1日）开始计算的毫秒数。为了将这个时间戳转换为人们习惯的日期和时间格式，我们可以利用std::chrono库提供的接口将std::chrono::system_clock::time_point转换为std::time_t，然后使用C语言的标准库函数将其转换为struct tm，最后可以使用std::strftime将struct tm转换为字符串。

auto now = std::chrono::system_clock::now();
std::time_t t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
std::tm* now_tm = std::localtime(&t);
char buffer[80];
std::strftime(buffer, sizeof(buffer), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", now_tm);
std::cout << "Current time: " << buffer << std::endl;

这就像我们将一个长篇的数字字符串（比如一串电话号码）转换成更容易理解的格式，比如在适当的位置添加了短横线。

时间单位的转换

在std::chrono库中，我们可以很容易地在不同的时间单位之间转换。这种转换类似于我们在长度、重量等不同的物理单位之间进行转换。比如，我们可以很容易地将std::chrono::seconds转换为std::chrono::milliseconds：

std::chrono::seconds sec(1);
auto millis = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(sec);

通过这样的方式，我们可以将代码中的时间管理变得更加灵活，满足各种精度的需求。

时间戳在实际问题中的应用示例

在实际的编程问题中，时间戳的应用是广泛的。例如，我们可以使用时间戳来度量一段代码的执行时间，也可以在日志记录中添加时间戳，来追踪事件发生的时间。

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// Code to be measured.
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto elapsed = end - start;
std::cout << "Elapsed time: " << elapsed.count() << "ns\n";

在这个示例中，我们使用std::chrono::high_resolution_clock::now获取代码开始和结束的时间，然后计算出代码执行所需的时间。这就像我们使用秒表来测量运动员的速度一样，可以帮助我们更好地理解和优化代码的性能。

3.3. 时间戳在实际问题中的应用示例

在软件开发中，时间戳的使用几乎无处不在，例如性能测量、日志记录、时间戳计算等。在这一部分，我们将探讨一些常见的时间戳应用示例。

性能测量

当你需要优化代码以提高执行速度时，时间戳的使用就显得尤为重要。可以在代码块的开始和结束处获取时间戳，然后计算执行时间：

auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// ... Your code to measure ...
auto stop = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(stop - start);
std::cout << "Time taken by function: " << duration.count() << " microseconds" << std::endl;

这就像你使用秒表来测量一个运动员完成赛跑所需的时间，从而分析他的运动表现并寻找改进的地方。

日志记录

在日志记录中，时间戳可以帮助我们跟踪事件的发生时间。当我们查看日志以调试或理解系统行为时，知道事件发生的准确时间通常非常有用。

auto now = std::chrono::system_clock::now();
std::time_t now_c = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
std::cout << "Log event happened at " << std::ctime(&now_c);

时间戳计算

有时候，我们需要进行基于时间的计算，比如计算两个日期之间的差值，或者添加特定的时间量。这时，我们可以使用std::chrono::duration来执行这些操作。

auto t1 = std::chrono::system_clock::now();
// ... some code ...
auto t2 = std::chrono::system_clock::now();
auto duration = t2 - t1;
std::cout << "Duration between t1 and t2: " << duration.count() << " seconds\n";

以上这些只是时间戳在实际问题中的一些应用示例。使用C++的std::chrono库，你可以进行更复杂和高级的时间处理操作。

4. 计时器的实现

4.1 使用std::chrono库实现基本计时器

在编程中，我们经常需要测量代码的执行时间，比如，对比两种算法的性能或者查找代码中的性能瓶颈。C++的std::chrono库为我们提供了这样的工具。

基本计时器实现

我们首先需要理解，计时器 (Timer) 可以被比作是心理学中的“定时器”。当人们需要专注于某项任务时，他们会设定一个定时器来保持专注并度量时间。这与编程中使用计时器的动机非常相似。我们希望对程序的运行时间有个准确的度量，以此来优化我们的代码。

在C++中，一个基本的计时器可以通过std::chrono库中的high_resolution_clock来实现。代码示例如下：

#include <iostream>
#include <chrono>
int main() {
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now(); // 开始计时
    // 你需要测量的代码块
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); // 结束计时
    std::chrono::duration<double> diff = end-start; // 计算时间差
    std::cout << "Code executed in " << diff.count() << " seconds" << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，start和end都是std::chrono::time_point对象，表示一个时间点。high_resolution_clock::now()函数返回当前时间点。然后，我们通过计算end和start之间的差值，得到代码执行的时间。最后，使用count()函数以秒为单位打印出运行时间。

这就像是你设定了一个心理学中的定时器，你知道何时开始，何时结束，并且你可以测量这段时间。

在接下来的章节中，我们将详细介绍更高级的计时器功能。

4.2 高级计时器功能与实现（例如：暂停、重置）

计时器的暂停与恢复

在现实生活中，我们的计时器有时需要暂停并稍后恢复。比如说，你正在烹饪并根据食谱倒计时，突然有人敲门，你需要停下来应对。在这种情况下，你会暂停计时器，然后在事情处理完后恢复计时。同样，我们在编程中也会遇到类似的情况。

在C++中，我们可以通过以下方法来实现计时器的暂停和恢复功能：

#include <iostream>
#include <chrono>
class Timer {
    private:
        bool running;
        std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> start_time, end_time;
    public:
        Timer() : running(false) {}
        void start() {
            running = true;
            start_time = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        }
        void stop() {
            if (running) {
                end_time = std::chrono::high_resolution_clock::now();
                running = false;
            }
        }
        double elapsed() {
            if (running) {
                return std::chrono::duration<double>(std::chrono::high_resolution_clock::now() - start_time).count();
            }
            else {
                return std::chrono::duration<double>(end_time - start_time).count();
            }
        }
        void reset() {
            running = false;
        }
};
int main() {
    Timer timer;
    timer.start();
    // Some code
    timer.stop();
    std::cout << "Elapsed time: " << timer.elapsed() << " seconds." << std::endl;
    // Continue with the timer
    timer.start();
    // Some code
    timer.stop();
    std::cout << "Total elapsed time: " << timer.elapsed() << " seconds." << std::endl;
    return 0;
}

上述代码中定义了一个名为Timer的类，其中包含了start(), stop(), elapsed(), 和 reset()这些方法。start()用于开始或恢复计时，stop()用于暂停计时，elapsed()用于获取已过去的时间，而reset()则用于重置计时器。这就像我们生活中使用的实际计时器一样，能进行开始、暂停、恢复和重置等操作。

通过以上方式，我们不仅增强了计时器的功能，更为我们的编程工作提供了更灵活的时间度量工具。

C++ std::chrono库使用指南 (实现C++ 获取日期,时间戳,计时等功能)（二）https://developer.aliyun.com/article/1465310