CPPCON2016 - A <chrono> Tutorial

CPPCON2016: A <chrono> Tutorial

此演讲对<chrono>头文件有很好的解释，而且入门很轻松。

chrono是c++关于时间的头文件，是C++11引入的。之所以引入这样一个头文件有诸多原因，一是C++尚缺少对时间类型的诠释，使用API时可读性很低。比如

sleep(10);

我们很难说这个10的单位究竟是什么，也很难在不同的时间单位之间去手动转换。chrono基本解决了可读性的问题。

因为C++有自定义的后缀，叫什么我忘了，你可以这样使用一个chrono类。

sleep(10ms);

chrono还能帮助编译器在编译器找到一些逻辑错误，这是通过区别类型和概念实现的。

演讲主题主要是

• time duration
• time points
• clock

Time Duration

duration类表示一个时间段，同一采用duration类实现，他是一个模板类，通过别名实现良好的可读性，比如

不过演讲是从通俗易懂的概念讲起的。

让我们从seconds开始。

首先有几个要求：

• seconds是一个算术类型
• sizeof(seconds) == 8
• 平凡类：平凡复制，构造，析构，移动等。

它的定义很像一个类定义

class seconds{
	int64_t sec_;
public:
	seconds() = default;
	//etc
};

在构造的时候，seconds不允许int类型转换，即你不能这样使用

seconds s = 12;
//or
void f(seconds s){ cout<<s.count()<<endl;}
f(12); //error
//这是就是chrono的好处之一，因为在编译的时候这里告诉你无法从int类型转换到seconds类型，这表示你必须指定12的单位，比如f(12s)（in c++14）。这大大提高了代码的可读性，在外部查看时我们能知道函数中使用12s这一时间而不是看着12发愣，思考内部究竟是使用多少“12”

但是这样是OK的。

seconds s{12};

目前你可以这样输出seconds对象，而不是像演讲那样提到的

cout<< s <<endl;

除此之外，你可使用s.count()来获取内部的数值进行输出。

前面提到了seconds很像算术类型，即你可以对两个seconds进行加减，但是同样注意int类型不可参与运算。同时，你还可以使用seconds进行基础的六种比较操作（==,!=,>,>=,<,<=）。

演讲中演示了，实际上seconds的算术操作和int类型操作所花费的时间是一致的（他们的汇编代码完全相同），所以duration对象的算术操作完全是zero abstraction的。

seconds对象有范围的概念，因为他们的duration对象，所以时间长度取决于内部数据能表示的最大长度以及时间比例（ratio），比如

seconds m = seconds::min();
seconds M = seconds::max();
// +/- 292billion years

虽然此范围极大，但是还是尽量避免溢出吧，尤其是对于时间单位比较小的类来说。

接下来的一个问题就是代码中时间单位的转换，比如我们原先代码都是基与seconds编写，都是以秒为单位，现在我们像重构，想让这些代码以毫秒为单位，该如何操作？

chrono内部实际上都帮你处理好了，你只需要改变内部的类型即可。

比如

void f(seconds d){
	cout<<d.count()<<"s"<<endl;
}
//then……
void f(milliseconds d){
    cout<<d.count()<<"ms"<<endl;
}

你只需要像这样在需要的地方直接改变类，即便外部传入参数的是12s，在转换毫秒的时候它会自动转成12000ms。

而且这种自动行为同样发生在算数和比较操作上，你完全可以将seconds和milliseconds相加或是比较，他们的行为完全符合你的直觉。

milliseconds lhs = 1200ms;
seconds rhs = 5s;
auto res = lhs + rhs;
//typeof(res) is milliseconds and the value of res is 6200ms

注意，目前都是将seconds转换到milliseconds，这种转换是自动的，因为任何整数秒都可以用整数的毫秒表达， 但是反过来，整数的毫秒无法用整数的秒表示，这会损失信息。

这总转换不是自动的，你可以使用duration_cast来强制转换，它会损失信息并转换到你想要的时间单位上。

在c++17你可以将转换往不同的方向进行，比如floor<duration>总是将转换操作往负无穷的方向进行，round<duration>是往最近的数值或是偶数进行靠拢，ceil<duration>往正无穷的方向进行。

chrono头文件有很多单位你可以使用比如hours,years,microseconds……等等，他们都是duration类的别名，不同的是他们的ratio（时间比例）不同。

比如hours

using hours = duration<int,ratio<3600>>;

因为1小时有3600秒，所以ratio<3600>，前面的是你用什么类型来存hours的数值。比如seconds使用就是long long类型。

另外，如果你用浮点类型来表示数值的化，你就能不适用duration_cast且去转换了。

using fseconds = chrono::duration<float>;
void f(fseconds sec){//do something}

f(21321ms); //OK

根据ratio和duration，你甚至可以创建自己的时间单位。比如你的世界是以 帧来运行，而一秒钟固定24帧，那么……

using frames = chrono::duration<long long,ratio<1,24>>;

ratio模板有两个long long类型的非类型模板参数，前面是分子，后面是分母。根据ratio，chrono能根据各自的比例来进行转换和计算

Time Points

time points顾名思义，它代表着是一个时间点。

根据规定，初始时间点应该是从1970-1-01-0:00（epoch）开始计算，比如我初始化一个10000s的time point。

time_point<system_clock,seconds> tp{10000s};

那么它代表的时间就是1970-1-01-2:46:40

timepoints内部并不存储clock类型，内部只存一个duration类型的值，大概长成这个样子：

template<typename Clock,typename Duration = typename Clock::duration>
class time_point{
	Dutation d;
public:
	using clock = Clock;
    using duration = Duration;
    //...
};

time point可计算，一般会用到两种：

• time point - time point = duration
• time point +/- duration = time point
• time point++ / ++time point

time point不可相加，相乘，这些都会在编译期提示你错误信息。

time points之间也可以根据duration不同的ratio进行相互转换，比如：

time_point<system_clock,hours> tph{20h};
time_point<system_clock,seconds> tps{tps};
auto duration = tps - tph;// seconds

对应的，time point也有一个time_point_cast来允许你强制转换:

time_point<system_clock,minutes> tpm=time_point_cast<minutes>(time_point<system_clock,seconds>(21321s));

以及c++17也包括对time point进行rounding运算，比如floor ceil等。

clocks

clock是将一个duration，一个time point和一个能获得当前时间点的静态函数捆绑在一起的一个结构体。

它大概是这个样子：

struct some_clock{
	using duration = chrono::duration<int64_t,microseconds>;
	using rep = duration::rep;
	using period = duration::period;
	using time_point = chrocho::time_point<some_clock>;
	static constexpr bool is_steady = false;
	
	static time_point now() noexcpet;
};

如果is_steady为true，那么该clock不能被调整，它会一直转下去，如果为false，那么clock就可以被调整，比如说时间服务器调整闰秒。

每个time point对象都必须与一个clock关联，关联到不同clock的time point之间无法转换。

目前c++11有三种clock(c++20新增6种)

• system_clock
• steady_clock
• high_resolution_clock (ignore this)

如果你一个与日期相关的time point，使用system_clock

如果你想计时，类似秒表的功能，使用steady_clock