C++ std::chrono的常见时钟类型

1. 核心概念
2. std::chrono::system_clock
3. std::chrono::steady_clock
4. std::chrono::high_resolution_clock
5. （非标准但常见）std::chrono::utc_clock和std::chrono::tai_clock (C++20)
6. 总结与选择指南
- 6.1. 黄金法则

std::chrono库是C++11引入的用于处理时间和日期的高级库。其核心是时钟（Clocks），每个时钟都是一个类型，提供了不同的时间点和时间间隔的度量方式。

C++标准定义了至少三种时钟类型，不同实现（如GCC、Clang、MSVC）可能会提供更多。本文将重点讲解标准要求的三种。

1. 核心概念

在介绍具体时钟前，先理解每个时钟都必须提供的两个核心成员：

**now()**：一个静态成员函数，用于获取当前时间点（time_point）。例如：auto current_time = std::chrono::system_clock::now();
**period**：一个类型定义（typedef），表示时钟的“滴答周期”（tick period），即时钟计时一次所代表的时间长度（通常是std::ratio类型）。例如，std::ratio<1, 1000000>表示每tick是1微秒。
**duration**：一个类型定义，表示时钟使用的时间间隔类型，通常是std::chrono::duration<rep, period>。rep是算术类型（如long long），period就是上面的滴答周期。
**time_point**：一个类型定义，表示时钟的时间点类型，通常是std::chrono::time_point<Clock, Duration>。
is_steady：一个静态布尔常量，指示时钟是否是稳定的（steady）。这是选择时钟的关键属性。
- 稳定时钟：意味着时钟的速率是恒定且单调递增的，永远不会调整（例如，不会因为网络时间协议NTP或夏令时而回拨或跳变）。它只适合测量时间间隔。
- 非稳定时钟：意味着时钟可能会被外部因素调整，适合表示“墙上的钟表”时间（wall time），但不适合精确测量流逝的时间。

2. `std::chrono::system_clock`

2.1. 功能与含义

系统时钟，它表示操作系统维护的“实时时钟”（Wall Clock）。
它指示的是从某个历史时间点（纪元，epoch）到现在所经过的时间。这个纪元通常是1970年1月1日00:00:00 UTC，也就是Unix时间戳（Unix Time）的纪元。
它不是稳定时钟（is_steady通常为false）。系统时间可以被系统管理员、网络时间同步（NTP）或夏令时（DST）修改。这意味着两次调用now()得到的时间点，后面的可能比前面的值小。

2.2. 主要用途

获取当前日历时间（日期和时间）：这是它的主要用途。
与时间点/时间戳相互转换：因为它通常基于Unix纪元，所以可以很容易地转换为time_t，进而与C库函数（如gmtime, strftime）或与其他系统交互。
记录文件的创建/修改时间、日志时间戳等需要具有人类可读意义的场景。

2.3. 代码示例

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <ctime>

int main() {
    // 获取当前系统时间
    auto now = std::chrono::system_clock::now();

    // 转换为time_t (C风格的时间)
    std::time_t now_time_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);

    // 转换为本地日历时间字符串
    std::cout << "Current time: " << std::ctime(&now_time_t);

    // 也可以转换为UTC时间
    std::cout << "UTC time: " << std::asctime(std::gmtime(&now_time_t));

    // 计算从纪元开始到现在过了多少秒
    auto duration_since_epoch = now.time_since_epoch();
    auto sec_since_epoch = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(duration_since_epoch).count();
    std::cout << "Seconds since epoch: " << sec_since_epoch << std::endl;

    return 0;
}

3. `std::chrono::steady_clock`

3.1. 功能与含义

稳定时钟，专门为测量时间间隔而设计。
它是稳定的（is_steady为true）。它的时间点值保证是单调递增的，不受任何系统时间调整的影响。即使系统时间被往后调了1小时，steady_clock仍然会按照物理时间稳定地向前走。
它的纪元（起始点）是任意的、由具体的实现定义的（通常是程序启动或系统启动时作为时间0点）。你不能将它转换为日历时间。它的唯一用途就是测量时间间隔。

3.2. 主要用途

性能基准测试（Benchmarking）：测量代码段的执行时间。
超时处理：在网络编程或并发编程中计算等待/超时时间。
动画/游戏循环：计算帧与帧之间的时间差（delta time）。
任何需要精确、可靠的时间间隔测量的场景。

3.3. 代码示例

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>

int main() {
    // 记录开始时间点
    auto start = std::chrono::steady_clock::now();

    // 模拟一些工作（例如睡眠500毫秒）
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));

    // 记录结束时间点
    auto end = std::chrono::steady_clock::now();

    // 计算时间间隔
    auto elapsed = end - start;

    // 将时间间隔转换为毫秒并输出
    auto elapsed_ms = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(elapsed).count();
    std::cout << "Elapsed time: " << elapsed_ms << " ms\n";

    return 0;
}

4. `std::chrono::high_resolution_clock`

4.1. 功能与含义

高分辨率时钟，它旨在提供当前系统所能提供的最小tick周期的时钟，即最高精度的时钟。
它是具体实现定义的，通常是std::chrono::steady_clock或std::chrono::system_clock的别名。这意味着：
- 它的is_steady属性取决于它到底是哪种时钟的别名。
- 它的稳定性没有保证。在有的平台上它是稳定的，在有的平台上它不是。

4.2. 主要用途

需要最高可能精度的时间点测量的场景。
注意：由于其稳定性不确定，除非你非常清楚你的编译平台上的具体实现（并且确认它是稳定的），否则优先使用std::chrono::steady_clock来测量时间间隔会更安全、更可移植。high_resolution_clock的别名特性有时被称为“时钟的幻影”（a clock alias of last resort）。

4.3. 代码示例

// 用法与steady_clock类似，但要注意其稳定性
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// ... 做一些操作
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::nanoseconds>(end - start).count();

5. （非标准但常见）`std::chrono::utc_clock`和`std::chrono::tai_clock` (C++20)

从C++20开始，标准库引入了更多用于处理时区和闰秒的时钟，但这些还不是所有编译器都完全支持的。

**utc_clock**：表示协调世界时（UTC），它会考虑闰秒。
**tai_clock**：表示国际原子时（TAI），它不考虑闰秒，是一个纯粹基于原子钟的连续时间尺度。

6. 总结与选择指南

特性	`system_clock`	`steady_clock`	`high_resolution_clock`
用途	获取日历时间	测量时间间隔	测量高精度时间间隔
稳定性	否（可调整）	是（单调递增）	具体实现定义（可能稳定也可能不稳定）
纪元	通常为Unix纪元 (1970)	任意（程序/系统启动）	具体实现定义
可转换日历	是（通过`to_time_t`）	否	否
推荐场景	记录时间戳、与外部系统交互	性能测试、超时、游戏循环	需要最高精度，且不关心可移植性

6.1. 黄金法则

想要“现在几点？”（日历/日期/时间） -> 用 system_clock
想要“这段代码跑了多久？”（时间间隔） -> **优先使用steady_clock**（最安全可靠）
除非有极端精度需求且了解当前平台具体实现，否则慎用high_resolution_clock。