C/C++ 獲取時間與計算時間差的三種主流方法總結

前言

在程式開發中，效能分析、日誌記錄、定時任務等場景都需要精確獲取時間並計算差值。C/C++ 提供了從秒級到納秒級的多種方案，本文整理三種最常用的方法，涵蓋標準庫、POSIX 及 Windows 平台特有 API。

方法一：標準 C 庫 <time.h> —— 秒級精度，跨平台

適用於不需要高精度的場景，如記錄程式啟動耗時、簡單的超時判斷。

• time_t time(time_t *timer)：獲取當前日曆時間（自 1970-01-01 00:00:00 UTC 的秒數）。
• double difftime(time_t end, time_t start)：計算兩時間點差值（秒），返回 double 型別。

範例代碼

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // Linux sleep

int main() {
    time_t start, end;
    time(&start);
    sleep(1); // Linux: 秒；Windows 需用 Sleep(1000) 並含 windows.h
    time(&end);
    double cost = difftime(end, start);
    printf("耗時: %f 秒\n", cost); // 輸出 1.000000
    return 0;
}

跨平台注意：Windows 下睡眠函數為 Sleep(毫秒)（大寫 S），需含 <windows.h>；Linux 下 sleep(秒)、usleep(微秒)。

方法二：POSIX <sys/time.h> —— 微秒級精度，Linux/Unix 通用

struct timeval 提供秒（tv_sec）與微秒（tv_usec）兩欄位，精度達 1μs，適合網路延遲測量、高效能日誌時間戳。

• int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz)：獲取當前時間，tz 通常傳 NULL。
• 手動計算差值：(end.tv_sec - start.tv_sec) * 1e6 + (end.tv_usec - start.tv_usec) 微秒。

範例代碼

#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    struct timeval start, end;
    gettimeofday(&start, NULL);
    usleep(500000); // 0.5 秒
    gettimeofday(&end, NULL);
    long diff_us = (end.tv_sec - start.tv_sec) * 1000000L + (end.tv_usec - start.tv_usec);
    printf("耗時: %ld 微秒 (%.3f 毫秒)\n", diff_us, diff_us / 1000.0);
    return 0;
}

方法三：C++11 <chrono> —— 納秒級精度，型別安全，現代 C++ 首選

std::chrono 提供型別安全的時間點（time_point）、持續時間（duration）與時鐘（clock），支援編譯期單位換算，避免手動換算錯誤。

• steady_clock：單調時鐘，受系統調整時間影響，適合測量間隔。
• high_resolution_clock：最高精度時鐘（通常為 steady_clock 別名）。
• duration_cast：單位轉換（納秒、微秒、毫秒、秒）。

範例代碼

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

int main() {
    using namespace std::chrono;
    auto start = high_resolution_clock::now();
    std::this_thread::sleep_for(milliseconds(100)); // C++11 睡眠
    auto end = high_resolution_clock::now();
    
    auto diff_ns = duration_cast<nanoseconds>(end - start).count();
    auto diff_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
    std::cout << "耗時: " << diff_ns << " ns (" << diff_ms << " ms)" << std::endl;
    return 0;
}

方法四：Windows API QueryPerformanceCounter —— 硬體計數器級精度

Windows 平台最高精度計時，利用 CPU 高解析度效能計數器，精度可達納秒級，常用於遊戲引擎、即時系統。

• QueryPerformanceFrequency：獲取計數器頻率（每秒計數）。
• QueryPerformanceCounter：獲取當前計數值。
• 差值換算：(end - start) * 1.0 / freq * 1e9 納秒。

範例代碼

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    LARGE_INTEGER freq, start, end;
    QueryPerformanceFrequency(&freq);
    QueryPerformanceCounter(&start);
    Sleep(10); // 10 毫秒
    QueryPerformanceCounter(&end);
    double diff_ns = (double)(end.QuadPart - start.QuadPart) * 1e9 / freq.QuadPart;
    printf("耗時: %.0f 納秒 (%.3f 毫秒)\n", diff_ns, diff_ns / 1e6);
    return 0;
}

總結與選型建議

現代 C++ 專案建議優先使用 <chrono>；需兼容 C 或舊代碼庫時，Linux 用 gettimeofday，Windows 用 QueryPerformanceCounter。