深入c语言和程序运行原理(17)日期、时间与实用函数

2022年10月29日 58点热度

日期、时间与实用函数

在前面的几讲中,我都以较大的篇幅介绍了 C 标准库中的一些重要概念,和相关接口的使用方式。除此之外,标准库中还有一些功能十分明确,使用方式也十分简单的常用接口,这些接口也为日常的 C 应用开发提供了重要支持。因此,在接下来的两讲中,我将围绕这部分内容展开介绍。

今天,我们先来看看标准库中与日期、时间以及实用函数有关的内容。其中,日期与时间的相关接口由头文件 time.h 提供;而实用函数的功能则可被进一步细分为字符串与数值转换、随机数生成、动态内存管理,以及进程控制等不同的几类,这些功能对应的编程接口均由头文件 stdlib.h 提供。

下面,我们就来分别看看这两类接口的使用方式,以及它们背后的一些基本原理。

日期与时间

首先来看由头文件 time.h 提供的日期与时间相关接口。那么,在 C 语言中,日期与时间的概念是怎样体现的?又应该如何对它们进行操作和转换呢?

在构建应用程序时,我们经常会用到日期与时间这两种概念。比如,在记录日志时,通常需要保存每个事件的确切发生日期和时间;在进行优化时,则需要通过测量代码的运行时间来寻找性能痛点;而在生成随机数时,甚至需要使用当前时间,作为不同的随机种子。

看到这里,你可能已经发现了:这一讲中我们提到的“时间”,有两种不同的含义。一种是指时间上的跨度,而另一种则指以小时、分钟、秒组成的确切时间点。至于具体是哪一种含义,需要你结合上下文来理解。当然,在可能会引起误解的地方,我也会特别说明下。

日历时间

在 C 语言中,时间可以被分为“日历时间(Calendar Time)”与“处理器时间(Processor Time)”。其中,前者是指从世界协调时间(UTC)1970 年 1 月 1 日 00 时 00 分 00 秒,到当前 UTC 时间所经历的秒数,其中不包括闰秒。在 C 标准库中,该值由自定义的类型关键字 time_t 表示。该类型通常对应于一个整数类型,在某些老版本的标准库中,可能被实现为 32 位有符号整型。

同时,time.h 头文件也提供了一个非常直观的,名称为 time 的方法,可用于获取这个值。来看下面这个例子:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main(void) {
    time_t currTime = time(NULL);
    if(currTime != (time_t)(-1))
    printf("The current timestamp is: %ld(s)", currTime);
    return 0;
}

这里,我们将 time 方法调用后的返回值保存在了变量 currTime 中。而当方法调用成功后(即返回值不为 -1),该值通过 printf 函数被打印了出来。

不仅如此,在获取到这个整型时间值后,借由标准库提供的其他时间与日期处理函数,我们还可以对它做进一步处理。比如,将它格式化为本地时间,并以特定的格式输出。继续来看下面这个例子:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
int main(void) {
    time_t currTime = time(NULL);
    if(currTime != (time_t)(-1)) {
        char buff[64];
        struct tm* tm = localtime(&currTime);
        if (strftime(buff, sizeof buff, "%A %c", tm))
            printf("The current local time is: %s", buff); // "The current local tim
    }
    return 0;
}

在这段代码中,我们用与之前类似的方式获取了当前的日历时间,该值被存放到变量 currTime 中。在代码的第 7 行,通过使用名为 localtime 的方法,我们可以将该日历时间转换成与本地时间相关的多种信息。这些信息将以不同字段的形式被存放在名为 tm 的结构对象中。

接着,通过调用 strftime 方法,我们可以继续对这个时间对象进行格式化。该方法调用后,会将生成的结果字符串存放到由变量 buff 对应的字符数组中。这里,传入的第三个参数为一个包含有格式控制占位符的字符串。其中,%A 用于显示完整的周工作日名称,%c 用于显示标准日期和时间字符串。strftime 方法将根据占位符字符串的具体组成格式,来输出相应的结果字符串。

处理器时间

接着,我们再来看处理器时间(CPU Time)。顾名思义,处理器时间,即 CPU 资源被调度以支持程序在某段时间内正常运作所花费的时间。需要注意的是,在默认情况下,这个时间应该是应用运行所涉及的所有独立 CPU 所消耗时间的总和。C 标准库也为我们提供了一个直观的,名称为 clock 的方法,可用于返回这个值。来看下面这个例子:

#include <time.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
    clock_t startTime = clock();
    for(int i = 0; i < 10000000; i++) {}
    clock_t endTime = clock();
    printf("Consumed CPU time is:%fs\n",
    (double)(endTime - startTime) / CLOCKS_PER_SEC);
    return 0;
}

位于代码第 4 行的 clock 方法在调用后会返回类型为 clock_t 的值。该类型由标准库的具体实现定义,因此,其值可能为整数,也可能为浮点数。不同于日历时间的是,为了更精确地计算 CPU 耗时,处理器时间并不直接以“秒”为单位,而是以 “clock tick” 为单位。为了将这个时间换算为秒,你需要将它除以标准库中提供的宏常量 CLOCKS_PER_SEC。该常量表明了,在当前系统上每 1 秒钟对应的 clock tick 次数。

需要注意的是,这里我们提到的 clock tick,与程序运行所在计算机的实际物理 CPU 频率没有直接关系。应用程序可以通过读取计算机上的硬件定时器,来获得对应进程的 CPU 使用时间。

对于程序运行来说,一段时间内花费的处理器时间与墙上时钟时间(Wall-clock Time)可能并不一致。前者依赖于程序使用的线程数量、所在平台的物理 CPU 核数,以及操作系统调度 CPU 的具体策略等。而后者则是现实世界的时间流逝,也就是一个恒定递增的值。因此,调用一次 clock 方法所返回的处理器时间一般没有太多意义。通常,我们会按照上面例子中的方式来使用这个时间,即在一段代码的前后,分两次获取处理器时间,并通过计算两者之间的差值,来了解 CPU 执行这段代码所花费的时间

当然,为了方便你更好地理解处理器时间与墙上时钟时间的区别,你可以在具有多核 CPU 的计算机上编译和运行下面这段代码:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
#include <threads.h>
typedef struct timespec ts_t;
int run(void* data) { // 模拟的耗时任务;
    volatile double d = 0;
    for (int n = 0; n < 10000; ++n)
        for (int m = 0; m < 10000; ++m)
            d += d * n * m;
    return 0;
}
int main(void) {
    // 首次记录日历时间与处理器时间;
    ts_t ts1;
    timespec_get(&ts1, TIME_UTC);
    clock_t t1 = clock();
    // 创建两个线程,做一些耗时任务;
    thrd_t thr1, thr2;
    thrd_create(&thr1, run, NULL);
    thrd_create(&thr2, run, NULL);
    thrd_join(thr1, NULL);
    thrd_join(thr2, NULL);
    // 再次记录日历时间与处理器时间;
    ts_t ts2;
    timespec_get(&ts2, TIME_UTC);
    clock_t t2 = clock();
    // 分别计算和打印处理器时间与墙上时钟时间耗时;
    printf("CPU time used (per clock()): %.2f ms\n", 1000.0 * (t2 - t1) / CLOCKS_
    printf("Wall time passed: %.2f ms\n",
        1000.0 * ts2.tv_sec + 1e-6 * ts2.tv_nsec - (1000.0 * ts1.tv_sec + 1e-6 * ts
    return 0;
}

其他相关处理函数

除了我在上面介绍过的一些常见日期与时间处理函数外,C 标准库还提供了另外一些相关函数,我将它们整理在了下面的表格中,供你参考。当然,这里并没有包含那些已经被标记为“废弃”的接口。

方法名功能简介
difftime计算两个以 time_t 类型表示的日历时间之间的差值
timespec_get获取基于给定时间基准(如 TIME_UTC )的日历时间
timespec_getres获取基于给定时间基准(如 TIME_UTC)的时间分辨率信息
wcsftime将给定的 tm 结构体对象转换为对应的宽字符表示
gmtime将给定的 time_t 值转换为对应的 tm 结构体对象
mktime将给定的tm 结构体对象转换为对应的 time_t 值

Y2038 问题

到这里,我讲完了如何在 C 代码中使用日期和时间操作的相关函数,接下来,我想和你讨论一个可能由 time_t 类型引发的问题。

我在讲日历时间的时候提到过,某些旧版本的 C 标准库在实现用于存放日历时间的 time_t 类型时,可能会采用 32 位有符号整数。而在这种情况下,time_t 所能够表示的时间跨度便会大大缩小,并会在不久之后的 UTC 时间 2038 年 1 月 19 日 03 时 14 分 08 秒发生上溢出。当该类型变量溢出后,其表示的具体日期和时间,将会从 1901 年开始“重新计时”。

你可以通过这里来观察这个问题的发生过程。

可以说,这是一个全球性问题,严重性甚至可以与 Y2K 等问题比肩。由于 C 语言被广泛应用在各类软硬件系统中,因此,从常见的交通设施、通信设备,到某些早期的计算机操作系统,它们都可能会在那时受到 Y2038 问题的影响。

看完了与头文件 time.h 相关的内容,接着,我们再来看看 stdlib.h 头文件提供的众多实用函数。由于这些函数的功能十分混杂,我将它们分为了几个不同的类别,来分别为你介绍。首先来看数值与字符串转换的相关接口。

字符串到数值的转换

这类接口的使用方式都十分简单,直接来看下面这段代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
int main(void) {
    // 一次性字符串到数值转换;
    const char* strA = "1.0";
    printf("%f\n", atof(strA));
    // 带溢出检查的转换函数,执行后会保存不能被转换部分的地址;
    const char* strB = "200000000000000000000000000000.0";
    char* end;
    double num = strtol(strB, &end, 10);
    if (errno == ERANGE) { // 判断转换结果是否发生溢出;
        printf("Range error, got: ");
        errno = 0;
    }
    printf("%f\n", num);
    return 0;
}

stdlib.h 头文件提供了众多函数,可用于将一个字符串转换为特定类型的数字值。在上面代码的第 7 行,我们使用名为 atof 的函数,将字符串 strA 转换为一个双精度浮点数。实际上,以字母 “a” 开头的这类函数,只能对字符串进行一次性转换。

相对地,在代码的第 11 行,名为 strtol 的函数将字符串 strB 转换为了对应的长整型数值。而这一类以 “str” 开头的函数,会在每次执行时判断转换结果是否发生溢出,同时保存不能被转换部分的地址。在这种情况下,通过再次调用这类函数,我们便能够对剩余部分的字符串继续进行转换,直至将整个字符串处理完毕。

生成随机数

作为实用函数的一部分,“随机数生成”是一个不可或缺的重要功能。同样地,我们也可以通过配合使用 stdlib.h 提供的 rand 与 srand 方法,来生成随机数。它们的基本用法如下所示:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main (void) {
    srand(time(NULL)); // 初始化随机数种子;
    while (getchar() == '\n')
        printf("%d", rand() % 10); // 生成并打印 0-9 的随机数;
    return 0;
}

可以看到,我们首先在代码的第 5 行,使用 srand 方法设定了程序每次运行时需要使用的随机数种子。在代码第 7 行,rand 函数的调用会产生范围为 [0, RAND_MAX] 的随机数。通过对它进行求余处理,可以将结果限定到一个指定的范围。

对于大多数 C 标准库实现来说,rand 函数在内部会采用“线性同余发生器(Linear Congruential Generator)”等伪随机算法,来计算函数每次调用时需要产生的随机数。这也就意味着,该函数产生的随机数,本质上并不是随机的。如果我们没有使用 srand 函数设置新的随机数种子,那么,当每次程序重新运行时,通过 rand 函数产生的随机数序列都将会是相同的。而这个种子便会作为 rand 函数在计算下一个随机数时,所采用算法的输入参数。

事实上,计算机无法生成“真正的随机数”。正如 MIT 教授 Steve Ward 说的那样:“传统计算机系统最不擅长的一件事就是抛硬币”。计算机软件的执行会按照既定的算法展开,因此,当输入和算法不变时,输出结果就变得有迹可循。即使我们可以用更复杂的算法,来让输出的变化模式变得难以琢磨,但无论如何,这都并非真正的随机。

而伪随机数算法之所以可被用来生成随机数,则是因为从统计学角度来讲,其生成的数字符合随机数在均匀性、独立性等特征上的要求。并且,伪随机数的生成不需要特殊的硬件支持。同时,在大多数场景中,伪随机数也可以满足基本的使用需求。

动态内存管理

动态内存管理,本质上就是堆内存管理。我曾在  08 讲 中介绍过 VAS 中堆的概念,以及如何使用 malloc 与 free 函数,来在堆上分配和释放一段内存空间。但实际上,除这两个函数外,C 标准库还为我们提供了另外一些函数,可用于在分配堆内存时进行更加精确的控制。你可以通过下面的表格,来了解这几个函数的基本功能。由于它们的使用方式较为简单,这里我就不详细介绍了。

方法名功能简介
aligned_alloc从符合对齐要求的地址分配指定大小的堆内存
calloc分配指定大小的堆内存,并将其清零
realloc扩大或缩小之前已经分配的堆内存

进程控制

接下来,我们来看看实用函数中与进程控制相关的内容。虽然 C 标准库为我们提供了进程控制的相关能力,但这个能力实际上却十分有限。借助标准库提供的接口,我们可以控制程序的退出形式(正常终止、异常终止、快速终止等),获取当前系统的环境变量,或是与宿主机上的命令处理器进行交互。但除此之外,我们无法再控制进程的其他行为,比如创建进程,或使用进程间通信。对于其中几个函数的使用方式,你可以参考下面这个例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void exitHandler() {
    printf("%s\n", getenv("PATH"));
}
int main(void) {
    if (!atexit(exitHandler)) {
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    return 0;
}

这里,在代码的第 7 行,我们使用函数 atexit 为程序注册了一个回调函数。这个函数会在程序显式调用 exit 函数时,或从 main 函数内正常退出时被触发。在对应的回调函数 exitHandler 中,我们使用 getenv 函数,获取并打印了当前宿主机上环境变量 PATH 的值。当回调函数注册成功后(返回整型数值 0),通过显式调用函数 exit,我们正常退出了当前程序。此时,回调函数被调用,环境变量 PATH 的值被打印了出来。

还有一些我没提到的函数,它们的使用方式也很简单。同样地,我将它们整理在了下面的表格中,供你参考。

方法名功能简介
abort导致一个异常程序终止,不做资源清理
quick_exit导致一个快速程序终止,仅做不完全的资源清理
_Exit导致一个正常程序终止,不做资源清理
at_quick_exit设置回调函数,在 quick_exit 调用时被调用
system与宿主上的命令行通信

这里需要你注意,exit、quick_exit、_Exit,以及 abort 这四个可用于终止程序运行的函数,它们实际上对应着不同的使用场景。

其中,exit 函数在退出程序时,会进行一系列资源清理工作,比如冲刷并关闭各种 IO 流、移除由函数 tmpfile 创建的临时文件等。除此之外,它还会在中途触发用户注册的回调函数,以进行自定义的收尾工作。但相对地,quick_exit 函数在终止程序时,并不会进行上述资源清理工作。它仅会通过回调函数,来执行用户自定义的收尾工作。 _Exit 函数则更加彻底,它会直接终止程序的执行,而不做任何处理。

不同于这三类函数,abort 函数在调用时,会向当前程序发送信号 SIGABRT,并根据情况,选择终止程序或执行相应的信号处理程序。

其他接口

除了上面提到的这几类重要接口外,stdlib.h 中还包含有一些与搜索排序、整数算数、宽字符(串)转换相关的接口。它们的使用方式也十分简单,这里我就不一一介绍了。你可以参考下表来了解这些最常用接口的名称与功能。

方法名功能简介
qsort对指定数组中的元素进行 in-place 排序
bsearch从指定数组中查找给定的元素,返回指向元素的指针或 NULL
abs计算给定值的绝对值
div计算整数除法的商和余数
mblen返回一个多字节字符的字节数
mbtowc将下一个多字节字符转换为宽字符

总结

这一讲,我主要介绍了 C 标准库中与时间(日期)处理、字符串和数值转换、随机数生成、动态内存管理、进程控制,以及搜索排序等功能相关的接口。其中,第一部分功能的接口由time.h 提供,其余部分由 stdlib.h 提供。

C 语言中的时间可以被分为日历时间与处理器时间。通过名为 time 与 clock 的两个接口,我们可以分别获得与它们对应的两个值。进一步,借助 localtime 与 strftime 等接口,日历时间可以被转换为本地时间,并按照指定的形式进行格式化。而处理器时间由于在默认情况下以 clock tick 为单位,因此,需要将它除以宏常量 CLOCKS_PER_SEC,从而得到以秒为单位的值。

通过使用 atof 与 strtol 等接口,我们可以实现字符串到数字值的转换。其中,前一类以 “a” 开头的接口,仅能对字符串进行一次转换;而后一类以 “str” 开头的接口,则可在对字符串进行数值转换的基础上,同时检查转换结果是否发生溢出,并保存不能被转换部分的地址。

通过配合使用 rand 与 srand 接口,我们可以在 C 程序中生成伪随机数。在大多数标准库中,rand 函数会使用伪随机算法来实现。因此,为了使每次调用 rand 函数生成的随机数序列都不尽相同,在调用该接口前,可以配合使用 srand 与 time 函数,来为其设置随时间变化的不同随机数种子。

malloc、calloc,以及 free 等接口的实现,方便了我们在程序中动态操作堆内存。而通过调用 exit、abort、quick_exit 等接口,我们可以精确地控制程序在退出时的具体行为。除此之外,abs、qsort、bsearch、mblen 等接口的提供,也使得标准库在搜索排序、整数算数、宽字符(串)转换等方面,为 C 编程提供了一定帮助。

思考题

既然计算机无法产生真正的随机数,那么有哪些方法可以用来产生真正的随机数呢?它们的原理是什么呢?

Baimi

世上只有两种编程语言:一种是总是被人骂的,一种是从来没人用的。