c++ - 高效生成 UTC 时间戳

Question

我需要经常(每秒几次)生成字符串格式的 UTC 时间戳，而我的代码效率很低。有没有比我正在使用的方法更快的方法？可以假设该程序不会跨天运行。

void GenerateUTCTimestamp(std::string& out)
{
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    time_t tnow = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
    tm* utc = gmtime(&tnow);

    std::stringstream ss;

    ss << std::setfill('0');
    ss << std::setw(4) << utc->tm_year + 1900;      // Year
    ss << std::setw(2) << utc->tm_mon + 1;          // Month
    ss << std::setw(2) << utc->tm_mday;             // Day
    ss << '-';
    ss << std::setw(2) << utc->tm_hour << ':';      // Hours
    ss << std::setw(2) << utc->tm_min << ':';       // Minutes
    ss << std::setw(2) << utc->tm_sec;              // Seconds

    out = ss.str();
}

Answer 1

你将很难找到比这更快的代码:

#include <chrono>
#include <string>

void
stamp(char* s, int i)
{
    do
    {
        *s-- = char(i % 10) + '0';
        i /= 10;
    } while (i > 0);
}

void GenerateUTCTimestamp(std::string& out)
{
    using namespace std;
    using namespace std::chrono;
    using days = duration<int, ratio<86400>>;
    auto now = time_point_cast<seconds>(system_clock::now());
    auto today = time_point_cast<days>(now);
    auto s = now - today;

    // y-m-d
    auto z = today.time_since_epoch().count() + 719468;
    const auto era = 5;
    const auto doe = z - era * 146097;
    const auto yoe = (doe - doe/1460 + doe/36524 - doe/146096) / 365;
    const auto y = yoe + era * 400;
    const auto doy = doe - (365*yoe + yoe/4 - yoe/100);
    auto m = (5*doy + 2)/153;
    const auto d = doy - (153*m+2)/5 + 1;
    m = m + (m < 10 ? 3 : -9);

    // h:M:s
    const auto h = duration_cast<hours>(s);
    s -= h;
    const auto M = duration_cast<minutes>(s);
    s -= M;

    // format yyyymmdd-hh:MM:ss
    out = "00000000-00:00:00";
    stamp(&out[3], y);
    stamp(&out[5], m);
    stamp(&out[7], d);
    stamp(&out[10], h.count());
    stamp(&out[13], M.count());
    stamp(&out[16], s.count());
}

• 此代码使用来自此处的公共(public)域算法 civil_from_days:

  http://howardhinnant.github.io/date_algorithms.html#civil_from_days

  在哪里可以找到该算法的深入解释。

• 代码中的分支数被最小化，代码本身的大小也被最小化。

• 完全避免使用通用(和方便)流，而是选择不处理本地化、特征、宽字符、自定义宽度或对齐的基本整数到字符算法甚至负值。

• 除第一次调用外，通过重用和格式化直接进入out完全避免了内存分配。

• 此代码确实有一个有限的有效范围:2000-03-01 到 2400-02-29。如果您需要使此代码在此范围之外的时间点有效，请将 era 的计算更改为:

  const auto era = (z >= 0 ? z : z - 146096)/146097;

我将此代码放入 1000 次调用的循环中(使用相同的 string)，对其计时，然后对所有调用的时间进行平均。

在我的机器上(macOS、clang、libc++、-O3)，原始代码大约需要 3.9µs，优化后的代码大约需要 150ns(大约快 25 倍)。

然后为了开心，我使用 Howard Hinnant's date library 实现了 GenerateUTCTimestamp看看它在计时测试中的表现如何。它显然赢得了易用性测试(恕我直言):

#include "date.h"

void GenerateUTCTimestamp(std::string& out)
{
    using namespace date;
    using namespace std::chrono;
    out = format("%Y%m%d-%T", time_point_cast<seconds>(system_clock::now()));
}

它的时钟频率为 2.5µs，比线程不安全的 C API 快 50%，但比优化代码慢很多。通用工具的灵 active 会降低性能。

日期库使用与优化工具相同的日历算法(除了使用通用的 era)，但像原始代码一样格式化为 stringstream。当然，它还必须解析格式字符串。