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C++ 的时间库之一：C 语言传统

article 2025/2/19 14:51:58

在 C++ 11 标准之前，C++ 的代码在处理跟时间有关的内容时，沿用的是 C 语言的库，主要是定义在 time.h
头文件中，当然，C++ 的代码应该用 ctime 这个头文件。C++ 11 开始支持用 C++ 的风格处理时间，但是 chrono
整个内容像是个半成品，很多情况下要进行时间的处理还不得不借助于传统的 C 库，虽然这并不冲突，但是当你的代码在 C++ 风格和 C
风格之间突兀地来回转换时，可能会导致“精神分裂”吧？不过话说回来，到现在还在用 C++ 的人，多半也都不是正常人。好在经过 C++ 17 和
C++ 20 的补充，现在的 chrono 库已经完善。但是在介绍 C++ 的 chrono 库之前，了解一下 C
语言的时间处理方法是十分必要的，毕竟很多项目不可能立刻升级到 C++ 20，各种程度的“精神分裂”还需要持续一段时间。

1 系统时间和本地时间

1.1 系统时间和本地时间的来历

我们常说的“系统时间”，指的是 UTC 时间（国际协调时），传统的 GMT 时间是指 0 度经线经过的格林威治天文台所在地的时间，也被称为 UTC + 0 时区的时间。我们常说的国际时间（UT）是以天体运行的规律相一致的时间，过去这个时间靠观测天体的运行来确定，现在则是用相关的轨道公式计算出来。我们知道，地球是个不规则的球体，自转的时候还扭来扭去的晃动，最关键的是它的自转一直在变慢，这就导致与人类感觉相一致的 UT 时间与极度冷酷的铯原子钟代表的线性的 UTC 时间出现偏差。人们接受这两个时间的偏差在 0.9 秒之内，如果超过就要进行闰秒修正。所以，当我们说“系统时间” 的时候，你将其理解为 UTC 还是 UT 都可以，因为无论是 UT 还是 UTC 时间，所谓的系统时间其实就是这一刻发生时，UTC + 0 时区用时间。这也全球统一时间，任何跨时区的活动组织，都以系统时间为准。但是因为地球自转导致的昼夜不同，全球都使用系统时间过日子是不现实的，毕竟没有人愿意在中午十二点出来看月亮，所以就有了“时区”，有了“本地时间”。大多数操作系统内部使用的都是 UTC 时间，也被称为系统时间，但是展示给用户的时间是经过时区修正后的“本地时间”，因为本地时间更适应人们的生活习惯。虽然有点麻烦，但是往好处想，同一地区的时间转换关系是固定的，所以程序在处理时间的时候，不需要同时记录两个时间，只要记录系统时间就可以了。

为什么建议记录系统时间而不是直接记录本地时间？讲一个我“道听途说”来的故事。若干年前，有一个跨国项目，老外项目组总是向中方项目组抱怨，每次中方项目组人员提交代码，都会导致整个项目的代码重新编译，延长了测试部署的时间。中方的一个机灵小伙经过一番研究，终于发现原因是系统中自动生成编译脚本的程序，将生成的文件设置为本地时间了，所以每次中方项目组的成员编译完代码，提交的时候会导致库中相关文件被修改问中方的本地时间。当老外们编译的时候，由于文件时间被修改，导致所有相关的依赖都被重新编译。事实上，每次老外入库，也会导致中方这边的编译问题，只是善良的中国人没有抱怨而已。事实查明是老外的编译脚本有 BUG，但是导致中方背了很长时间的锅。

这个故事告诉我们，使用系统时间的重要性。事实上，操作系统在生成或修改文件的时候，记录的文件时间就是系统时间。在不同地区的人通过操作系统界面看到的本地时间虽然不一致，但是大家对这个绝对时间点的理解是一样的。我曾遇到一个加密文件的程序，在加密文件之后总是“执着地”将文件的最后修改时间设置成本地时间，虽然在国内用没有问题，但是当我们把加密文件传给在不同时区的外国人的时候，他们可能会惊讶，你们中国人怎么能穿越到过去加密这个文件，或者穿越到未来加密这个文件？

1.2 time_t 和 struct tm

在介绍系统时间和本地时间转换之前，先介绍两个 C 标准库的数据类型，一个是 time_t类型，另一个是struct tm类型。 time_t 类型本质上是一个无符号整数，在不同的系统上长度不一样，可能是 32 位，也可能是 64 位。正如你理解的那样，这是一个计数器，在 C++ 语言中，这个计数器表示的是从格林威治标准（UTC）时间 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒开始到某个时间点之间经过了多少秒，类似这样的整数型的时间计数，也常被称为“时间戳”。所以，它不是我们一般理解的年、月、日计时的时间，但是它可以转换成年、月、日计时的时间。一般用struct tm类型表示经过转换后的年、月、日计时的时间，struct tm则是一个比较容易理解的数据结构：

struct tm
{
    int tm_sec;   // seconds after the minute - [0, 60] including leap second
    int tm_min;   // minutes after the hour - [0, 59]
    int tm_hour;  // hours since midnight - [0, 23]
    int tm_mday;  // day of the month - [1, 31]
    int tm_mon;   // months since January - [0, 11]
    int tm_year;  // years since 1900
    int tm_wday;  // days since Sunday - [0, 6]
    int tm_yday;  // days since January 1 - [0, 365]
    int tm_isdst; // daylight savings time flag
};

大部分情况下，转换成这样类型的时间，就是为了用户界面的展示，所以用这个数据结构存的一般是本地时间。如果确定用这个数据结构存格林威治地区时间，也就是 UTC 时间，一定要做到心里有数。在这里说一下我个人的习惯，我总是用time_t 类型存储通过系统得到的 UTC 时间，用struct tm类型存储经过时区转换的本地时间，保持这个原则，可以帮助我在做时间的各种计算时，即便是各种复杂转换也不会出错。

1.3 系统时间和本地时间转换

言归正传，C++ 提供了将系统时间转换成本地时间的方法：

struct tm* localtime(const time_t *timer);

参数 timer 是time_t类型的 UTC 时间，返回值是struct tm表示的用年、月、日表示的本地时间。这个函数并不智能，它只是依据当前系统的时区设置对 timer 进行转换，如果 timer 存储的不是 UTC 时间，将会得到一个错误的结果。这里要强调一下，这是个旧的 C 语言库函数，它是线程不安全的，它返回的struct tm指针并不总是有效的，特别注意不要在线程之间传递这个指针。2011 年发布的 C11 标准提供了一个线程安全的版本：

struct tm *localtime_s( const time_t *timer, struct tm *buf );

但是，槽点来了，不同编译器的localtime_s()函数长的还不一样。因为 C11 标准来的太晚了，很多迫不及待的编译器厂商已经使用了这个名字，比如那个总喜欢给库函数加上_s的微软，他家的localtime_s()函数长这样：

errno_t localtime_s(struct tm* _Tm, const time_t *timer);

返回值类型就不一样，更要命的是，两个参数居然是反的，这还怎么玩？标准委员会也注意到这个问题了，他们在规划中的 C23 标准中又重新定了一个库函数：

struct tm *localtime_r(const time_t *timep, struct tm *result);

虽然 C23 的标准还在制定中，但是一些编译器厂商很早就已经支持这个函数了，如果你的编译器支持localtime_r()，请尽量使用localtime_r()，否则在用localtime_s()的时候，就需要知道它在不同编译器上的差异。

吐槽完这个，又一个槽点来了。既然 localtime()是将 time_t 类型的系统时间转成struct tm类型的本地时间，那么反过来转换的函数名字应该是systemtime()，或者类似的名字吧？结果不是，反向转换的函数是这个：

time_t mktime (struct tm *timeptr);

这个函数名字看起来就是做个数据类型转换嘛，然而，函数不能望名生意，它其实在内部做了从本地时间向系统时间的逆向转换（曾经因为这个命名误会的人来举个手）。标准库对这个函数的解释是“将 timeptr 所指向的结构转换为自 1970 年 1 月 1 日以来持续的秒数”，显然，这个结果如果不是 UTC 时间就没有任何意义了。往好处想，这个不图名利的幕后转换也是符合了我对 time_t 类型和struct tm类型的使用原则，即：用 time_t 类型表示系统时间，用struct tm类型表示本地时间。

假设我们勉强接受了mktime()函数。但是这货又是什么东西？难道不是逆向时间转换的函数吗？

struct tm *gmtime(const time_t *timer);
struct tm *gmtime_s( const time_t *restrict timer, struct tm *restrict buf );  // C11
struct tm *gmtime_r( const time_t *timer, struct tm *buf );  // C23

不是，真不是。这三个函数虽然名字里有 “gmt”，但它们不做时区转换的事情，它们只是将 time_t 类型的时间转换成struct tm类型的时间，不做任何时区计算。如果你想在做数据类型的转换的同时完成时区转换，还得用 localtime 系列函数。同样需要注意，gmtime() 也是线程不安全的，C11 同样提供了线程安全版本 gmtime_s()，但是微软的 CRT 库又与众不同了，他家的gmtime_s()函数长这样：

errno_t gmtime_s(struct tm *_Tm,  const time_t *timer);

如果编译器带的标准库支持已经提前支持了gmtime_r()，请尽量用gmtime_r()，如果用gmtime_s()，需要注意上述差异。

2 获取当前时间

第一节先介绍系统时间和本地时间的转换，是为了让大家更好地理解时间的概念，现在来看看获取当前时间的方法。这个库函数就是简单的time()函数：

time_t time (time_t *timer);

它得到的是一个从格林威治标准时间 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒到现在历时的秒数，可以通过函数的返回值获得，也可以通过函数的指针参数获得，如果你两个都用了，你会惊奇地发现它们的值是一样的。一般人们都是这么用的：

time_t now = time(nullptr);

理论上说，当取时间失败的时候，这个函数会返回 -1，但是我从未遇到过。

另一个获取时间戳的函数是：

clock_t clock (void);

它返回的是你的程序从启动到现在经历的 CPU 时钟，单位是 ticks，计数是从 0 开始的。一个 tick 具体是多长时间，依系统而定，一般建议用这个 CLOCKS_PER_SEC 常量转换成以秒为单位的计数：

std::clock_t t1 = std::clock();
// 做点处理
std::clock_t t2 = std::clock();
double duration = (double)(t2 - t1) / CLOCKS_PER_SEC;//转换浮点型

对 clock() 函数的使用需要注意，因为它获得的是 CPU 的处理时间，所以当你使用多线程或使用 sleep() 之类的系统函数时，都会影响它的值，比如 sleep 的时间是不计算在 CPU 处理时间的。还有一点需要注意的就是这个函数的返回值是有时间精度的，可能是 55ms，也可能是 10 ms，具体要看你使用的是什么系统。所以，对于即使精度有要求的场合，应避免使用这个函数。

对于某些编译器，还可以使用gettimeofday()这个函数获取当前时间，但它不是标准库的函数，不是所有的编译器都支持。

int gettimeofday(struct  timeval*tv,struct  timezone *tz )

3 时间字符串

3.1 struct tm 类型转字符串

将struct tm类型表示的时间转换成人类能读的时间字符串，可以用：

char* asctime(const struct tm * timeptr);
errno_t asctime_s( char* buf, rsize_t bufsz, const struct tm* time_ptr ); //C11
char *asctime_r( const struct tm* time_ptr, char* buf ); //C23

转换后的时间字符串的格式由系统决定，也就是你的操作系统中设定的时区、单位进制和时间表达方式。前面做本地时间和系统时间转换的函数，也是使用的系统设置，你可以使用 locale 设置当前环境的本地化。asctime()这个函数是线程不安全的，尽量避免使用，请用asctime_r()或asctime_s()。对这个函数不再提微软的 CRT 库，是因为微软的库的实现和 C11 终于一样了。

除了用系统默认的格式输出时间字符串，还可以用更灵活的strftime()函数自定义时间字符串的格式，C95 还提供了支持宽字符集的函数wcsftime()：

size_t strftime(char *str, size_t count, const char *format, const struct tm *time );
size_t wcsftime( wchar_t* str, size_t count, const wchar_t* format, tm* time );

format的格式有一张长长的表，读者可以通过 C 语言的帮助文档了解这个格式。但是关于时间格式，仍有需要说明的地方。比如“A%”表示输出星期的名字，中文和英文应该是不一样的输出。“c%” 是得到完整的年月日时分秒时间字符串，同样不同的语言得到的结果也不相同。除了系统设置的默认格式，还可以使用 setlocale()函数设置本地化信息，以此影响strftime()函数的输出结果。关于 C++ 的地域化设置，可参考这一篇《C++ 的地域化 (locale) 设置》。

另外，本节介绍的 asctime 和 strftime 函数都不做时区的计算，也就是说，如果想得到本地时间的字符串，需要确保 tm 中存的时间是本地时间。

3.2 time_t 类型转字符串

将time_t类型时间戳转字符串的函数是这几个：

char*   ctime  ( const time_t* timer );
errno_t ctime_s( char *buf, rsize_t bufsz, const time_t* timer );  //C11
char*   ctime_r( const time_t* timer, char* buf );  //C23

需要注意的是，这个函数会做时区转换，将 timer 表示的 UTC 秒数转成本地时间的可读字符串，同样的建议是不要再用第一个函数，因为线程不安全。请尽量使用后两个函数，如果有可能，优先使用ctime_r()。

4 时间差

time_t 类型的时间，可以直接求差计算两个时间点之间的时间差（时间跨度），尽管如此，C 的标准库还是提供了difftime()函数，用在一些不支持长整型数据计算的系统中：

double difftime( time_t time_end, time_t time_beg );

这个函数返回以秒为单位的时间差，除此之外，没有更多需要说明的。

5 timespec 和 timespec_get

使用 time() 获取的时间精确到秒，对很多更高要求的场合，这个函数有点不堪重用，于是在 C 11 标准中新增了timespec_get() 方法，这个方法的参数是一个 timespec 类型的数据结构：

struct timespec
{
    time_t tv_sec;  // Seconds - >= 0
    long   tv_nsec; // Nanoseconds - [0, 999999999]
};

tv_sec 是当前的秒数，与time() 得到的结果一致，tv_nsec 是不足一秒部分的时间，单位是纳秒。

struct timespec ts;
timespec_get(&ts, TIME_UTC);
char buff[100];
strftime(buff, sizeof buff, "%D %T", gmtime(&ts.tv_sec));
printf("Current time: %s.%09ld UTC\n", buff, ts.tv_nsec);

C++ 17 标准也根据 C 11 补充了这部分内容（注意两个标准之间的差异，C 99 对 C 语言的扩充，C++ 的标准库中 C 的部分一直到 C++ 11 的时候才部分支持。不过今后这种差距将慢慢弥合，从 C 23 和 C++ 23 开始，两个标准委员会似乎有意统一二者的版本更新脚步）。

6 get_time 和 put_time

事实上，get_time() 和 put_time() 不是 C 标准库的内容，这两个家伙是 C++ 11 引入的，主要是处理时间的格式化输入和输出。看名字像是两个函数，但是它们是定义在 <iomanip> 头文件中的两个流操纵器（manipulator）。get_time() 从一个输入流中解析时间，时间的格式可由参数控制，解析的时间存入一个 struct tm 数据结构中。put_time() 则正好相反，将一个 struct tm 数据类型的时间按照指定的格式输出到一个输出流中。这两个操纵器不仅支持标准输入、输出流，还支持字符流和文件流，下面是这两个函数的使用例子：

std::tm t = {};
std::istringstream ss("2011-Februar-18 23:12:34"); //德语，从远方弄来的例子
ss.imbue(std::locale("de_DE.utf-8"));
ss >> std::get_time(&t, "%Y-%b-%d %H:%M:%S");
if (ss.fail())  {
    std::cout << "Parse failed\n";
} else 
{
    std::cout << std::put_time(&t, "%c") << '\n';
}

//输出 Sun Feb 18 23:12:34 2011

顺便说一下，get_time() 和 put_time() 操纵器的输入和输出格式虽然可由相应的格式化字符串控制，但是也受到地域化（locale）设置的影响。以上述例子来说，虽然输出时指定了格式 “%c”，但是星期到底是输出 Sun 还是“星期三”，则是由 std::time_get 和 std::time_put 这两个 facet 来决定。关于这方面的具体内容，请参考《C++ 的地域化 (locale) 设置》一篇的内容。