C++(标准库):10---Clock和Timer（chrono库）

一、Clock和Timer

• 在过去，C和POSIX提供的系统时间接口，允许从秒转换至毫秒，再至微秒，最终至纳秒，问题是每次转换就需要一个新接口
• 基于这个原因，C++11开始提供一个精度中立的程序库，称为chrnon程序库，被定义于中

二、Chrnon程序库概述

• Chrono程序库的设计，是希望能够处理“timer和clock在不同系统中可能不同”的事实，同时也是为了强化实践精准度
• 为了避免像POSIX的time程序库那样每十年就引入一个新的时间类型，C++标准库的目标是提供一个精度中立概念，把duration（时间段）和timepoint（时间点）从特定clock（时钟）区分开来。最终结果就是chrono程序库核心由以下类型或概念组成：
  • duration（时间段）：值得是在某时间单位上的一个明确的tick（片刻数）。例如，“3分钟”就是指一个时间段
  • timepoint（时间点）：一个duration和一个epoch（起始点）的组合。例如，“2000年新年夜”就是一个时间点

• Chrnon程序库定义在头文件中，命名空间为namespace std::chrono

三、Duration（时间段）

duration的基本格式

• Duration是一个数值和一个分数的组合（其中的分数由ratio<>描述）
  • 模板参数1：是一个数值，用来表示时间段所经历的滴答（tick）数
  • 模板参数2：用来表示时间段每个滴答的单位（秒、毫秒等等）。可以省略，省略时默认以秒为单位
• 例如：
  • twentySeconds：代表20秒，20*1秒=20秒（以秒为单位）
  • twentySeconds：代表0.5分钟，0.5*60秒=0.5分钟（以分钟为单位（60/1））
  • twentySeconds：代表1毫秒，1*0.001秒=1毫秒（以毫秒为单位（1/1000））

std::chrono::duration                       twentySeconds(20);
std::chrono::duration>    halfAMinute(0.5);
std::chrono::duration> oneMillisecond(1);

chrono自带的duration类型定义

• 在chrono中自定义了下面的类型，可以直接使用

• 例如，下面可以轻松的指定一些时间段：

std::chrono::seconds      twentySeconds(20); //20分钟
std::chrono::hours        aDay(24);          //24小时
std::chrono::milliseconds oneMillisecond(1); //1毫秒

Duration的算术运算

• 下图列出了duration可以进行的算术运算。例如：
  • 你可以计算两个duration的和、差、积和商
  • 你可以加减tick，或加减其他duration
  • 你可以比较两个duration的大小

• 运算所涉及的两个duration的单位类型可以不同：
  • 标准库的common_type<>为duration提供了一个重载版本
  • 因此运算所得的那个duration，其单位将是两个操作数的单位的最大公约数
• 演示案例：

std::chrono::seconds      d1(42); //42秒
std::chrono::milliseconds d2(10); //10毫秒

d1 - d2; //返回41990个毫秒为单位的一个duration，42000-10=41990
d1 < d2; //返回false

• 演示案例：

std::chrono::duration> d1(1); //1/3秒
std::chrono::duration> d2(1); //1/5秒

d1 + d2; //返回8/15秒，1/3+1/5=8/15
d1 < d2; //返回false

• 你也可以将duration转换为不同的单位，只要彼此之间存在隐式转换即可。因此，你可以将消失转换为秒，但是反向不可以（详情还可以见下面的duration_cast<>()的介绍）。例如：

std::chrono::seconds twentySeconds(20); //20分钟
std::chrono::hours   aDay(24);          //24消失

std::chrono::milliseconds ms;           //0毫秒
ms += twentySeconds + aDay;             //86400000毫秒
--ms;                                   //86399999毫秒
ms *= 2;                                //172839998毫秒

std::cout << ms.count() << " ms" << std::endl;
std::cout << std::chrono::nanoseconds(ms).count() << " ns" << std::endl;

Duration的其他操作

• 下面列出了duration支持的其它操作

• duration的默认构造函数会以默认方式初始化其数值，因此基础类型的初值是不明确的
• duration提供三个静态函数：zero()产出一个0秒duration，min()和max()分别产出一个duration所能拥有的最小值和最大值
• 例如，下面为duration对象添加一个operator<<版本

template
std::ostream& operator<<(std::ostream& s, const std::chrono::duration& d)
{
    s << "[" << d.count() << " of " << R::num << "/" << R::den << "]";
    return s;
}

int main()
{
    std::chrono::milliseconds d(42);
    std::cout << d << std::endl;
}

duration_cast<>

• 在上面我们介绍过duration的类型转换，可以将一个低精度的单位类型转换为一个高精度的单位类型（例如，将分钟转换为秒，将秒转换为微秒），但是不能将一个高精度的单位类型转换为一个低精度的单位类型（例如，将微秒转换为秒，将秒转换为分钟等。因为这可能会造成数据的丢失，例如将42010毫秒转换为秒，结果是42，那么原本的10毫秒就丢失了）
• 如果想要将高精度的单位类型转换为一个低精度的单位类型，那么可以使用duration_cast<>进行强制转换
• 例如：

std::chrono::seconds sec(55);

//错误的，默认不能将秒转换为分钟
std::chrono::minutes m1 = sec;

//正确的，可以使用duration_cast，将秒转换为分钟
std::chrono::minutes m2 = std::chrono::duration_cast(sec);

• 将浮点数类型的duration转换为整数类型的duration也需要使用duration_cast<>。例如：

std::chrono::duration> halfMin(0.5);

//错误，halfMin的tick为double类型，s1的tick默认为int类型
std::chrono::seconds s1 = halfMin;

//正确，使用duration_cast强制转换
std::chrono::seconds s2 = std::chrono::duration_cast(halfMin);

• 演示案例：
  • 下面代码把duration切割为不同单元，例如让一个以毫秒为单位的duration切割为相对应的小时、分钟、秒钟、毫秒
  • 在下面我们将ms转换为小时hh，实际数值会被截断而四舍五入
  • 幸好有%运算符，我们可以把一个duration当做其第二实参，于是写下ms%std::chrono::hours(1)轻松处理剩余的毫秒，那么毫秒又被转换为分钟

std::chrono::milliseconds ms(7255042);

std::chrono::hours hh = std::chrono::duration_cast(ms);
std::chrono::minutes mm = std::chrono::duration_cast(ms%std::chrono::hours(1));
std::chrono::seconds ss = std::chrono::duration_cast(ms%std::chrono::minutes(1));
std::chrono::milliseconds msec = std::chrono::duration_cast(ms%std::chrono::seconds(1));

std::cout << "raw: " << hh << "::" << mm << "::" << ss << "::" << msec << std::endl;
std::cout << "     " << setfill('0') << setw(2) << hh.count() << "::"
                                     << setw(2) << mm.count() << "::"
                                     << setw(2) << ss.count() << "::"
                                     << setw(3) << msec.count() << std::endl;

四、Clock（时钟）

• Clock（时钟）：
  • 定义一个epoch(起始点)和一个tick周期
  • 例如，某个clock也许定义tick周期为毫秒，起始点是UNIX epoch
  • 此外，clock还提供一个类型给“与此clock关联”的任何timepoint使用
  • Clock提供的函数now()可以产出一个代表“现在时刻”的timepoint对象

Clock提供的操作

• 下图列出了clock提供的类型定义和static成员

三个clock

• 标准库提供了三个clock：
  • system_clock：它所表现的timepoint将关联至现行系统的即时时钟
    • 这个clock提供便捷函数to_time_t()和from_time_t()，允许我们在timepoint和“C的系统时间类型”timet之间转换，这意味着你可以转换至日历时间
  • strady_clock：它保证绝不会被调用，因此当实际时间流逝，其timepoint值绝不会减少，而且这些timepoint相对于真实时间都有稳定的前进速率
  • high_resolution_clock：它所表现的是当前系统中带有最短tick周期的clock
• 这三个clock都支持上面Clock提供的操作

三个clock的精度问题

• 标准库并不强制规定上述clock的精准度、epoch，“最小和最大timepoint的范围”。举个例子，你的system clock也许提供的是UNIX epoch（1970年1月1日），如果你还需要一个特定的epoch，或你关注的timepoint并非被你的clock涵盖，你就必须使用各种便捷函数查清楚
  • 例如，下面的函数打印某个clock的各种属性：

template
void printClockData()
{
    std::cout << "- precision: ";
    typedef typename C::period P;
    if (std::ratio_less_equal::value){
        typedef typename std::ratio_multiply::type TT;
        std::cout << fixed << double(TT::num) / TT::den << " milliseconds" << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << fixed << double(P::num) / P::den << " seconds" << std::endl;
    }
    std::cout << "- si_steady: " << boolalpha << C::is_steady << std::endl;
}

• 我们可以针对各种clock调用这个函数，例如：

int main()
{
    std::cout << "system_clock: " << std::endl;
    printClockData();

    std::cout << "\nhigh_resolution_clock: " << std::endl;
    printClockData();

    std::cout << "\nsteady_clock: " << std::endl;
    printClockData();
}

• 结果如下图所示：
  • 可以看到，system_clock和high_resolution_clock有着相同精度，100纳秒，而steady_clock的精度则是毫秒
  • 还可以看到，steady_clock和high_resolution_clock不能被调整
  • 还需要注意，在其他系统中情况也许完全不同，例如high_resolution_clock有可能和system_clock相同

演示案例

• 用来比较程序的两个时间点是否相同，或计算差距，system_clock扮演者重要角色。例如：

//获得当前时间，保存为system_start
auto system_start = std::chrono::system_clock::now();

//...

//再次获取当前时间，与system_start进行比较，查看时间是否超过了1分钟
if (std::chrono::system_clock::now() > system_start + std::chrono::minutes(1))
{
    //...
}

• 上面的代码可能行不通，因为如果clock在中间被调整，即使程序执行超过了1分钟，if也可能返回false
• 类似的，当我们处理程序的执行时间，下面的程序有可能因中间clock被调用而打印出一个负值duration

#include  //Sleep

int main()
{
    //获得当前时间，保存为system_start
    auto system_start = std::chrono::system_clock::now();

    Sleep(3000); //休息3秒

    //获得时间差
    auto diff = std::chrono::system_clock::now() - system_start;
    //强制转换为秒
    auto sec = std::chrono::duration_cast(diff);
    //打印
    std::cout << "this program runs:" << sec.count() << " seconds" << std::endl;
}

• 基于相同的理由，使用timer搭配steady_clock以外的lock，有可能一旦system_clock被调用它们的duration也随之改变

五、Timepoint（时间点）

• Timepoint（时间点）：
  • 表现出某个特定时间点，关联至某个clock的某个正值或负值duration
  • 例如，如果duration是10天，其关联的clock epoch是“1970年1月1日”，那么这个timepoint就是1970年1月11日
  • timepoint提供的能力包括：产出epoch、产出“与其clock相应”的所有timepoint中的最小值和最大值，以及timepoint的各种算术运算
• timepoint定义如下：

• timepoint分为下面四种类型：
  • Epoch：由任何clock的time_point的默认构造函数产出
  • Current time：由任何clock的static成员函数now()产出
  • Minimum timepoint：由任何clock的time_point的static成员函数min()产出
  • Maximum timepoint：由任何clock的time_point的static成员函数max()产出

演示案例1

• 下面程序将timepoint赋值给tp并转换为日历表示法，然后打印出来：

std::string asString(const std::chrono::system_clock::time_point& tp)
{
    std::time_t t = std::chrono::system_clock::to_time_t(tp);
    std::string ts = std::ctime(&t);
    ts.resize(ts.size() - 1);
    return ts;
}

int main()
{
    std::chrono::system_clock::time_point tp;
    std::cout << "epoch: " << asString(tp) << std::endl;

    tp = std::chrono::system_clock::now();
    std::cout << "now: " << asString(tp) << std::endl;

    tp = std::chrono::system_clock::time_point::min();
    std::cout << "min: " << asString(tp) << std::endl;

    tp = std::chrono::system_clock::time_point::max();
    std::cout << "max: " << asString(tp) << std::endl;
}

timepoint提供的操作

• timepoint提供的操作如下：

• time_since_epoch()：
  • 一般而言，timepoint对象只有一个成员，是个duration，与相应的clock的epoch有着关系
  • 这个timepoint值可以通过time_since_epoch()取得

timepoint的溢出

• 虽然timepoint的接口用了ratio，这确保了duration单元的溢出会导致编译器报错，但是duration的溢出还是可能会发生
• 见下面的例子：

• 这也说明了chrono是一个duration/timepoint程序库，而不是个date/time程序库。你可以计算duration和timepoint但仍然必须把epoch、最小和最大的timepoint、闰年和闰秒纳入考虑

六、C和POSIX提供的Date/Time函数

• C和POSIX提供的Date/Time函数介绍参阅：https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/102651298
• C++标准也提供了C和POSIX所提供的“处理date和time”接口。原本在内的宏、类型、函数，现在被定义在的namespace std内
• 所提供的操作如下图所示：
  • 宏CLOCK_PER_SEC定义了clock()的单位类型（它返回的是elapsed CPU time，以1/CLOCK_PER_SEC秒计）
  • time_t通常只是“始自UNIX epoch（1970年1月1日）的秒数”。然而根据C和C++标准的说法，也并不保证如此

演示案例（timepoint和日历时间的转换）

七、以计时器停滞线程

• Duration和timepoint可用于线程或程序（即主线程）的停滞（block）。停滞可以是无条件的，也可以指定最大时间段，或等待一个lock或某条件成立，或等待另一线程结束
• 提供的操作如下：
  • sleep_for()和sleep_until()：由this_thead提供用以停滞线程
  • try_lock_for()和try_lock_until()：用来在等待一个mutex时指定最大时间段
  • wait_for()和wait_until()：用来在等待某条件成立或等待一个future时指定最大时间段
• 所有以...for()结尾的函数都会用到一个duration，所有以...until()结束的函数都会用到一个timepoint。例如：
  • this_thread::sleep_for(chrono::seconds(10));   //会停滞当前线程（不无可能是主线程）10秒钟
  • this_thread::sleep_until(chrono::system_clock::now()+chrono::seconds(10));  //停滞当前线程，直到system clock 来到一个“比此刻多10秒”的timepoint
• 这些调用虽然看起来相同，其实不然：
  • 所有...until()函数，你需要传递一个timepoint，而它收到时间调整的影响。如果sleep_until()之后的10秒内system clock被调整了，停滞时间也会被相应调整。例如我们把system clock回调1小时，这个程序将被停滞60分钟又10秒。又如果我们把clock调快超过10秒，timer会立刻结束
  • 如果使用...for()函数如sleep_for()，你必须传一个duration，或你使用steady_clock，那么system clock的调整通常不会影响duration。然而在一个不提供steady clock的硬件上，软件平台没机会在不受到“可能被调整的system time”的影响下计算秒数，因此时间的调整也会冲击...for()函数
• 所有这些timer都不会保证绝对精准。对任何timer而言都存在一点点延迟，因为系统只是周期性地检查那个timer结束了，而timer和interrupt（中断）的处理又需要花费一些时间。因此，timer的时间长度将会是它们所指定的时间加上一小段（取决于实现的质量和当下情势）