從現(xiàn)在開始，我們開始介紹 C++ 風(fēng)格的時(shí)間處理，在這之前，首先要介紹std::ratio。因?yàn)?C++ 的 chrono庫(kù)中的時(shí)間段（duration）定義離不開std::ratio，不了解std::ratio，就很難理解duration的定義。

1 std::ratio 的基本意義

? std::ratio 是 C++ 11 引入的數(shù)值計(jì)算庫(kù)的一部分，對(duì)應(yīng)的頭文件是 （如果使用時(shí)間庫(kù)，只要包含頭文件就可以了，這個(gè)頭文件內(nèi)部引用了 頭文件）。有資料將其稱之為分?jǐn)?shù)，其實(shí)它只是提供了比例或比率的概念，并且std::ratio是個(gè)完完全全的泛型庫(kù)，它的所有計(jì)算都是在編譯期間完成的，其定義如下：

template<std::intmax_t Num,  std::intmax_t Denom = 1> 
class ratio;

std::intmax_t 表示系統(tǒng)支持的最大位寬的整數(shù)，一般 32 位系統(tǒng)中代表的是std::int32_t，在 64 位的系統(tǒng)上代表的是std::int64_t。ratio類還有兩個(gè)靜態(tài)成員，一個(gè)是ratio::num，表示約分后的分子，另一個(gè)是ratio::den，表示約分后的分母?？匆幌吕哟a就明了了：

assert((std::ratio<24, 32>::num == 3));
assert((std::ratio<24, 32>::den == 4));
//或者：
std::cout << "std::ratio<24, 32>::num = " << std::ratio<24, 32>::num << std::endl;
std::cout << "std::ratio<24, 32>::den = " << std::ratio<24, 32>::den << std::endl;

由于std::ratio必須在編譯期實(shí)例化的，所以std::ratio類的兩個(gè)模板參數(shù)必須都是常量或常量表達(dá)式（constexpr）：

int n = 10;
int m = 100;std::ratio<n, m>::num; //ERROR，編譯錯(cuò)誤const int n = 10;
const int m = 100;
std::ratio<n, m>::num; //OK

? std::ratio 是個(gè)類模板，實(shí)例化后的std::ratio<24, 32>就是一個(gè)類型，可以用這個(gè)類型定義變量（內(nèi)部成員 type 與之等效）：

std::ratio<3, 4> a;
//std::ratio<24, 32>::type a;  //等效于上一行
assert((a.num == 3));  //注意用了 . 運(yùn)算符，因?yàn)?a 是一個(gè)變量了
assert((a.den == 4));

當(dāng)然，也可以用 using直接使用別名代表一個(gè)比率：

using three_fouth = std::ratio<3, 4>;
assert((three_fouth::num == 3));  //注意用了:: 運(yùn)算符，因?yàn)?three_fouthes 是個(gè) std::ratio<3, 4>類型
assert((three_fouth::den == 4));

還有一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，就是std::ratio<3, 4>和std::ratio<24, 32>被視為同種類型，它們的變量可以賦值和交換：

std::ratio<3, 4> a;
std::ratio<24, 32>::type b; b = a; //雖然沒(méi)有意義，但是編譯OK

但是std::ratio<24, 64>與它們就不是同類：

std::ratio<3, 4> a;
std::ratio<24, 64>::type b; b = a; //ERROR，類型不匹配，不能賦值

2 std::ratio 的計(jì)算和比較

? std::ratio還支持比率的加、減、乘、除運(yùn)算，但是也都是在編譯器處理的，std::ratio_add()方法的兩個(gè)模板參數(shù)也必須是std::ratio類型，或std::ratio類型的別名，但是不能是std::ratio類型定義的變量名。以加法的使用方法為例：

using two_third = std::ratio<2, 3>;
using one_sixth = std::ratio<1, 6>;
using sum = std::ratio_add<two_third, one_sixth>;
std::cout << "2/3 + 1/6 = " << sum::num << '/' << sum::den << '\n';

輸出結(jié)果是：

2/3 + 1/6 = 5/6

除了四種基本運(yùn)算，std::ratio還支持大于、大于等于、小于、小于等于、等于和不等于共六個(gè)邏輯運(yùn)算，以下是判斷兩個(gè)比率是否是大于關(guān)系的例子：

//C++ 11 的方式
if (std::ratio_greater<std::ratio<11, 12>, std::ratio<10, 11>>::value) 
{std::cout << "11/12 > 10/11" "\n";
}
//C++ 17 的方式
if constexpr (std::ratio_greater_v<std::ratio<12, 13>, std::ratio<11, 12>>)
{std::cout << "12/13 > 11/12" "\n";
}

這些判斷也都是在編譯期進(jìn)行的，沒(méi)有任何運(yùn)行開銷，最終運(yùn)行的代碼應(yīng)該是這個(gè)樣子的：

if (true) 
{std::cout << "11/12 > 10/11" "\n";
}

3 std::ratio 的預(yù)定義類型

? 為了方便代碼的書寫，std::ratio還提供了很多預(yù)定義比率的別名，比如：

std::nano   相當(dāng)于 std::ratio<1, 1000000000>
std::micro 	相當(dāng)于 std::ratio<1, 1000000>
std::milli 	相當(dāng)于 std::ratio<1, 1000>
std::centi 	相當(dāng)于 std::ratio<1, 100>
std::deci 	相當(dāng)于 std::ratio<1, 10>
std::deca 	相當(dāng)于 std::ratio<10, 1>
std::hecto 	相當(dāng)于 std::ratio<100, 1>
std::kilo 	相當(dāng)于 std::ratio<1000, 1>
std::mega 	相當(dāng)于 std::ratio<1000000, 1>
std::giga 	相當(dāng)于 std::ratio<1000000000, 1>

記住這些別名，有利于你看懂別人的代碼，自己寫代碼的時(shí)候，也可以少敲幾次鍵盤。

4 std::ratio 與編譯期計(jì)算

? std::ratio的計(jì)算可以在編譯期完成的，它的設(shè)計(jì)本意不是用來(lái)做分?jǐn)?shù)庫(kù)使用，它更多的體現(xiàn)是不同數(shù)值之間變換的橋梁。只要變換一下比率，就可以讓一個(gè)值表達(dá)完全不同的意義，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，std::ratio比常量表達(dá)式更具有靈活性。

? 口說(shuō)無(wú)憑，來(lái)看個(gè)例子，那就是本文要介紹的 C++ 時(shí)間庫(kù)中的duration。duration表示一段持續(xù)的時(shí)間，是個(gè)時(shí)間跨度，也稱為“時(shí)間間隔”。同一個(gè)時(shí)間間隔，可以用秒、毫秒來(lái)衡量，也可以用系統(tǒng)的 ticks 來(lái)衡量，在不同的衡量單位之間轉(zhuǎn)換，需要專門的計(jì)算。但是來(lái)看看結(jié)合了std::ratio使用的duration是如何做這種轉(zhuǎn)換的呢？來(lái)看個(gè)例子：

using namespace std::chrono;duration<long long, std::micro> micro_dura(5000000);
//duration<double, std::ratio<1, 1000000>> micro_dura(5000000);  //與上面一行代碼等價(jià)auto sec_dura = duration_cast<duration<long long, std::ratio<1, 1>>>(micro_dura);
std::cout << "5000000 microseconds = " << sec_dura.count() << " seconds" << std::endl;

這段代碼定義了一個(gè)單位是微秒的時(shí)間間隔變量，名為micro_dura，并賦值為 5000000 （微秒）。然后用duration_cast將其轉(zhuǎn)換為以秒為單位的時(shí)間間隔sec_dura，其值是 5（sec_dura.count() 就是返回這個(gè)時(shí)間間隔中有多少個(gè)計(jì)數(shù)單位（周期），每個(gè)單位的意義取決于duration周期的定義）。上述代碼是duration_cast是在編譯期間完成的，不占用運(yùn)行時(shí)間。

? 實(shí)際上，C++ 的時(shí)間庫(kù)對(duì)各種時(shí)間間隔都有預(yù)定義的別名，比如上述代碼可以用更簡(jiǎn)單的形式書寫：

using namespace std::chrono;microseconds micro_dura(5000000);  //std::chrono::microseconds
auto aaa = duration_cast<seconds>(micro_dura);
std::cout << "5000000 microseconds = " << aaa.count() << " seconds" << std::endl;

再來(lái)看一個(gè)例子，統(tǒng)計(jì)一個(gè) 280 秒的時(shí)間間隔中包含多少個(gè) 70 秒的時(shí)間間隔（周期）：

seconds sec(280); //等效于 duration<long long, std::ratio<1, 1>> sec(280);
auto bbb = duration_cast<duration<long long, std::ratio<70, 1>>>(sec);
assert((bbb.count() == 4));

這段代碼中的duration<long long, std::ratio<70, 1>>表示定義了一種時(shí)間間隔類型，就是以 70 秒為周期的時(shí)間間隔類型。seconds是時(shí)間庫(kù)預(yù)定義的時(shí)間間隔類型，單位是秒。

關(guān)注作者的算法專欄
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