c++11 chrono全面解析(最高可达纳秒级别的精度)

chrono是c++ 11中的时间库，提供计时，时钟等功能。

学习chrono，关键是理解里面时间段(Durations)、时间点(Time points)的概念。

1.精度：

时钟节拍(时间精度)：

template <intmax_t N, intmax_t D = 1> class ratio;

其中N表示分子，D表示分母，默认用秒表示的时间单位。

N对应于其成员num，D对应于其成员den

常用的单位：

ratio<60, 1>                    minute

ratio<1, 1>                      second

ratio<1, 1000>               millisecond

...

ratio主要是是为后面将要讲解的时间段，时间点等提供精度（单位）

#include<iostream>
#include<chrono>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "millisecond : ";
	cout << std::chrono::milliseconds::period::num << "/" << std::chrono::milliseconds::period::den << "s" <<endl;
	system("pause");
	return 0;
}

2.时间段：

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

std::chrono::duration 表示一段时间，比如两个小时，12.88秒，半个时辰，一炷香的时间等等

Rep表示一种数值类型，用来表示Period的数量，比如int float double。

Period是ratio类型，用来表示上面所说的单位精度，比如second milisecond。

chrono中宏定义了许多特例化了的duration：

就是常见的hours，miniutes，seconds，milliseconds等，使用std::chrono::milliseconds直接使用。

（1）构造函数很简单

(1)duration() = default;    //默认构造
(2)duration (const duration& dtn);        //(2)(3)拷贝构造
(3)template<class Rep2, class Period2>
   constexpr duration (const duration<Rep2,Period2>& dtn);
(4)template<class Rep2>      //传递一个某类型（int等）的数值，构造一个时间段   
   constexpr explicit duration (const Rep2& n);

（2）成员函数count()返回单位时间的数量。

#include <iostream>
#include <chrono>
int main()
{
	std::chrono::milliseconds mscond(1000); // 1 second
	std::cout << mscond.count() << " milliseconds.\n";

	std::cout << mscond.count() * std::chrono::milliseconds::period::num / std::chrono::milliseconds::period::den;
	std::cout << " seconds.\n";
	system("pause");
	return 0;
}

（2）当不要求截断值的情况下(时转换成秒是没问题，但是秒转换成时就不行)时间段的转换是隐式
的。显示转换可以由 std::chrono::duration_cast<> 来完成。
比如 std::chrono::milliseconds ms(54802);

std::chrono::seconds s=std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(ms);

这里的结果就是截断的，而不是进行了舍入，所以s最后的值将为54。

3.时间点：

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

std::chrono::time_point 表示一个具体时间，如上个世纪80年代、今天下午3点、火车出发时间等，只要它能用计算机时钟表示。

第一个模板参数Clock用来指定所要使用的时钟（标准库中有三种时钟，system_clock，steady_clock和high_resolution_clock。见4时钟详解），第二个模板函数参数用来表示时间的计量单位(特化的std::chrono::duration<> )

时间点都有一个时间戳，即时间原点。chrono库中采用的是Unix的时间戳1970年1月1日 00:00。所以time_point也就是距离时间戳(epoch)的时间长度（duration）。

（1）构造函数：

(1)	time_point(); //默认构造函数，时间戳作为其值
(2)	template <class Duration2> time_point (const time_point<clock,Duration2>& tp); //拷贝构造函数
(3)	explicit time_point (const duration& dtn); //使用duration构造，就是距离时间戳的时间长度

（2）时间点有个重要的函数：duration time_since_epoch()  (用于获取当前时间点距离时间戳的时间长度)

即经常用来得到当前时间点到1970年1月1日00:00的时间距离、该函数返回的duration的精度和构造time_point的时钟(Clock)有关(见4时钟详解)。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <ctime>
using namespace std;
int main()
{
	//距离时间戳2两秒
	chrono::time_point<chrono::system_clock, chrono::seconds> tp(chrono::seconds(2));
	cout << "to epoch : " <<tp.time_since_epoch().count() << "s" <<endl;
	//转化为ctime，打印输出时间点
	time_t tt = chrono::system_clock::to_time_t(tp);
	char a[50];
	ctime_s(a, sizeof(a), &tt);
	cout << a;
	system("pause");
	return 0;
}

可以看出，时间戳就是使用的Unix的时间戳。

4.时钟：(代表当前系统的时间)

chrono中有三种时钟：system_clock，steady_clock和high_resolution_clock。每一个clock类中都有确定的time_point, duration, Rep, Period类型。

system_clock是不稳定的。因为时钟是可调的，即这种是完全自动适应本地账户的调节。这种调节可能造成的是，首次调用now()返回的时间要早于上次调用now()所返回的时间，这就违反了节拍频率的均匀分布。稳定闹钟对于超时的计算很重要，所以C++标准库提供一个稳定时钟 std::chrono::steady_clock。std::chrono::high_resolution_clock 是标准库中提供的具有最小节拍周期(因此具有最高的精度的时钟)。

上文所说time_since_epoch()，以及将要介绍的now()函数的返回值都依赖于时钟的精度，测试时钟的精度的一种方法就是：

#include <iostream>
#include <chrono>
using namespace std;
int main()
{
	cout << "system clock          : ";
	cout << chrono::system_clock::period::num << "/" << chrono::system_clock::period::den << "s" << endl;
	cout << "steady clock          : ";
	cout << chrono::steady_clock::period::num << "/" << chrono::steady_clock::period::den << "s" << endl;
	cout << "high resolution clock : ";
	cout << chrono::high_resolution_clock::period::num << "/" << chrono::high_resolution_clock::period::den << "s" << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

windows系统的测试结果是system_clock的精度是100纳秒，而high_resolution的精度是1纳秒，对于程序来说，一般毫秒级就够了，所以说chrono提供的时钟精度绰绰有余。

（1）成员函数static time_point now() noexcept; 用于获取系统的当前时间。

（2）由于各种time_point表示方式不同，chrono也提供了相应的转换函数 time_point_cast。

template <class ToDuration, class Clock, class Duration>
  time_point<Clock,ToDuration> time_point_cast (const time_point<Clock,Duration>& tp);

传一个要转换为的精度的duration模板参数和一个要转换的time_point参数（用法见下面综合应用）

（3）其他成员函数：

to_time_t() time_point转换成time_t秒

from_time_t() 从time_t转换成time_point

综合应用：

输出当前时间,并且计算当前的时间距离1970年1月1日00:00的毫秒数

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <ctime>
using namespace std;
int main()
{
	//定义毫秒级别的时钟类型
	typedef chrono::time_point<chrono::system_clock, chrono::milliseconds> microClock_type;
	//获取当前时间点，windows system_clock是100纳秒级别的(不同系统不一样，自己按照介绍的方法测试)，所以要转换
	microClock_type tp = chrono::time_point_cast<chrono::milliseconds>(chrono::system_clock::now());
	//转换为ctime.用于打印显示时间
	time_t tt = chrono::system_clock::to_time_t(tp);
	char _time[50];
	ctime_s(_time,sizeof(_time),&tt);
	cout << "now time is : " << _time;
	//计算距离1970-1-1,00:00的时间长度，因为当前时间点定义的精度为毫秒，所以输出的是毫秒
	cout << "to 1970-1-1,00:00  " << tp.time_since_epoch().count() << "ms" << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

通过两张图片对比，时间点上相差48-34=14秒、、下面的一长串数字，切掉3位（毫秒）、是28-14=14秒、、正确！说明这一串数字的最后三位就是毫秒数、、充分说明了达到了毫秒级别。

将上面的程序中millisconds换成microseconds或者更小的单位，便可达到微妙，甚至更高的精度。