C++ 标准库 chrono

下面对 C++ 标准库中 <chrono> 头文件提供的高精度、类型安全的时间与时钟工具做一次系统、深入的梳理，包括时钟类别、duration 与 time_point 基础、常用别名、运算与转换、定时与睡眠、格式化／解析，以及实践建议。

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一、概述

• <chrono> 引入于 C++11，提供了类型安全的时间度量体系，替代了传统 C 风格的 <ctime>。
• 核心概念围绕两大模板类：
  • std::chrono::duration<Rep,Period>：表示一段时间长度（例如 3.5 秒、100 毫秒）
  • std::chrono::time_point<Clock,Duration>：表示某一时刻，相对于特定时钟的纪元（epoch）
• 配合若干 时钟（Clock） 类型，可进行高精度测时、定时、时间点运算、跨平台的线程睡眠等。

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二、时钟（Clocks）

时钟类型	说明	精度	单调性
system_clock	与系统实时时钟对应，可转换为日历时间（time_t）	操作系统定义	非单调
steady_clock	单调、不可回拨，适合测量间隔，不受系统时间调整影响	实现定义	单调
high_resolution_clock	提供最高可用精度（通常是 steady_clock 或 system_clock）	实现定义	取决于底层时钟

using namespace std::chrono;
auto t0 = steady_clock::now();
// …执行某些耗时操作…
auto t1 = steady_clock::now();
auto elapsed = t1 - t0;  // 类型为 steady_clock::duration

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三、duration：表示时间间隔

1. 定义

template<class Rep, class Period = std::ratio<1>>
class duration;

• Rep：底层数值类型（如 int64_t、double）
• Period：刻度单位，以分数形式表示：
  • std::ratio<1,1000> → 毫秒
  • std::ratio<60> → 分钟
  • std::nano/micro/milli/ratio<1>/kilo…

2. 常用别名

using nanoseconds  = duration<long long, nano>;   // 10⁻⁹ s
using microseconds = duration<long long, micro>;  // 10⁻⁶ s
using milliseconds = duration<long long, milli>;  // 10⁻³ s
using seconds      = duration<long long>;         // 1 s
using minutes      = duration<long long, ratio<60>>;
using hours        = duration<long long, ratio<3600>>;

3. 运算与转换

• 加减乘除：对同种或可转换 duration 之间可直接相加、相减；也可乘以/除以标量。
• duration_cast<To>(d)：将 d 强制转换为 To，会截断精度而非四舍五入。
• std::chrono::abs(d)（C++20）取绝对值。

auto d1 = 1500ms;                       // milliseconds
auto d2 = 1s + 500ms;                   // 1500ms
auto d3 = duration_cast<seconds>(d1);   // 1s (截断)
auto d4 = d1 * 2;                       // 3000ms

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四、time_point：表示时刻

1. 定义

template<class Clock, class Duration = Clock::duration>
class time_point;

• Clock::duration：决定了 time_point 的底层精度
• 以时钟的纪元（epoch）为参考，例如 system_clock 通常以 UNIX 纪元 (1970-01-01)

2. 构造与置零

system_clock::time_point t0;            // 默认构造：epoch
auto t1 = system_clock::now();          // 当前时刻

3. 运算

• 加减 duration：tp + d 或 tp - d 得到新的 time_point
• 差值：t2 - t1 得到 duration
• 比较：支持 <,>,== 等

auto expire = t1 + 5min;                // 5 分钟后
if (system_clock::now() < expire) { … }
auto wait = expire - system_clock::now();  // duration

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五、定时与线程睡眠

• std::this_thread::sleep_for(dur)：阻塞当前线程持续指定 duration
• std::this_thread::sleep_until(tp)：阻塞至指定 time_point

#include <thread>

std::cout << "Sleeping for 500ms...\n";
std::this_thread::sleep_for(500ms);
std::cout << "Awake!\n";

• 精度取决于操作系统调度与底层时钟，通常不保证毫秒级精确唤醒。

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六、格式化与解析（C++20 起）

C++20 增加了 <chrono> 对日历与格式化的支持，位于 <chrono> 或 <chrono> + <format>。

#include <chrono>
#include <format>   // C++20
using namespace std::chrono;

auto now = system_clock::now();
auto dp = floor<days>(now);
year_month_day ymd = dp;   // C++20 calendar 类型
auto time_str = std::format("{:%Y-%m-%d %H:%M:%S}", now);
// 例如 "2025-07-12 15:04:05"

• floor<Duration>(tp)：向下取整至指定粒度
• year_month_day、weekday、month_day 等类型支持日历运算
• std::format 与 <format> 的时间格式 {:%Y-%m-%d} 与 strftime 类似，更类型安全。

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七、实践建议

1. 测时请用 steady_clock
   • 避免系统时间调整的影响；high_resolution_clock 也可，但需确认其是否单调。
2. 存储/序列化用 system_clock
   • 与现实世界时间对应，可转换为/自 time_t，与外部系统交互友好。
3. 慎用 duration_cast 截断
   • 若需四舍五入，手动加半个单位再截断，或用浮点 duration<double> 做中介。
4. 避免睡眠“过度”依赖精度
   • sleep_for 可能比请求时间更长；对高精度实时控制，应配合忙等或操作系统定时器 API。
5. 利用 C++20 日历库
   • 对日期运算（加月、验证闰年等）请使用 year_month_day 等类型，胜过手写 tm 计算。
6. 类型安全与可读性
   • 使用字面量（100ms, 2h）和 using namespace std::chrono_literals，代码简洁且避免单位混淆。

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通过以上对 <chrono> 中时钟、duration、time_point、定时、格式化与实践建议的全面梳理，相信你能在性能测量、任务调度、日志时间戳与日历运算等场景中高效、正确地使用现代 C++ 时间库。祝编码顺利！