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c++ - 为什么 C++ 标准要求 `Clock::now` 函数为 `static` ？

coder 2024-01-31 原文

在 C++11 中，C++ 在标准中有一些计时工具。这些设施之一是时钟的标准接口(interface)，它基本上允许在调用时钟的 now 函数时获取时间。
到目前为止一切都很好，但我看不出要求 now 是静态函数的原因。在托管系统上，标准时钟可能可以纯粹通过系统调用或通过读取处理器计数器等来实现。但是，这限制了需要维护某些状态的自定义时钟的实现。使用此接口(interface)，要么无法实现某些时钟，要么必须使用全局状态。
我遇到的一个问题基本上是将本地时钟与我从 NTP 服务器获取的时间同步。代码看起来像这样:

class sntp_clock
{
public:
    sntp_clock() 
        : local_time_at_ctor(read_some_cpu_counter())
        , sntp_time_at_ctor(read_sntp_time()) {}
 
    sntp_time_t now() const {
        return sntp_time_at_ctor + (read_some_cpu_counter() - local_time_at_ctor);
    }

    /* required types etc */

private:
    local_time_t local_time_at_ctor;
    sntp_time_t sntp_time_at_ctor;
};
由于我不能在不使状态静态的情况下使 now 静态，因此该时钟不满足 C++ 标准中时钟的要求。但是每个 NTP 服务器都有单独的状态。
此外，出于效率原因，我可能不想在时钟实例存在的情况下启动 cpu 计数器，但同样，由于 now 是静态的，我无法确切知道何时开始计时或何时停止。
我的问题是为什么时钟有静态 now 要求？
注:当前标准草案要求now为静态:http://eel.is/c++draft/time.clock.req#tab:time.clock
Boost.Chrono 文档有相同的要求:https://www.boost.org/doc/libs/1_63_0/doc/html/chrono/reference.html#chrono.reference.cpp0x.clock

最佳答案

有理论和实践方面的考虑插入了这一决定。
理论的
有一个笑话说，有 watch 的人总是知道现在几点了，但有两块 watch 的人永远不会。这个笑话只有一点点道理，它确实影响了这个决定。如果应用程序需要知道两个或多个地方的当前时间，并且时钟是有状态的，那么在确保所有地方都使用相同的时钟实例以确保代码的所有部分都在处理时就存在问题与“当前时间”的定义相同。
通过使时钟无状态，但允许具有不同类型的多个时钟，类型系统可以帮助程序员确保程序在程序的不同位置使用相同的当前时间定义。然而，在那些需要多个时间定义的情况下，这也是可用的，就像不同的类型一样。
实用的
作为更实际的考虑，chrono::clock 代码的第一个客户是 chrono 本身。我们不得不吃自己的狗粮。以 condition_variable::wait_until 的实现为例:
https://github.com/llvm-mirror/libcxx/blob/master/include/__mutex_base#L377-L385

template <class _Clock, class _Duration>
cv_status
condition_variable::wait_until(unique_lock<mutex>& __lk,
                               const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t)
{
    using namespace chrono;
    wait_for(__lk, __t - _Clock::now());
    return _Clock::now() < __t ? cv_status::no_timeout : cv_status::timeout;
}
这里的函数采用单个通用 time_point ，算法需要找到与该 time_point 关联的当前时间。通过将 Clock 的类型打包成 time_point 和 的类型，接口(interface)非常干净，代码非常干净，写到 0x25184321 的接口(interface)非常干净。然而它的通用性足以使这段代码适用于任何用户编写的自定义时钟:不仅仅是标准指定的时钟。
如果时钟是有状态的，那么要么:
  • static now() 无法获取当前时间，或者
  • 客户端也必须传入测量 condition_variable::wait_until 的时钟。

    • 以上两种选择对我来说似乎都不合胃口。
    请注意，time_point 不是特例，而只是许多此类算法中的一个示例。事实上，我认为不仅标准实现者会编写这样的算法，而且普通大众也会。下面是后者的一个例子:
    https://stackoverflow.com/a/35293183/576911

    是的，我遇到过人们想要有状态时钟的情况。这个问题的 OP 提供了这样一个例子。但是既然有“stateful clocks”的选项仍然可以被赋予静态状态，如果你需要其他状态，使用不同的类型；并且由于上述无状态时钟的优点；做出的选择是优势在于无状态时钟设计。

    更新 1
    我一直在想更多的客户说:

    So is my stateful clock not good code?


    我认为一个有状态的时钟很好，只要人们意识到它的局限性。不幸的是，由于标准中的一个小错误，我认为这是一个比需要更复杂的问题。
    从实际的角度来看，只有一件事你不能用有状态时钟做而你可以用无状态时钟做，它可以追溯到上面标题为 实用 的部分。

    You can not instantiate an algorithm (std or otherwise) that requires a template parameter to be a ClockTM.


    例如，如果您有一个基于状态时钟的 condition_variable::wait_until，则不能使用该 time_point 来调用 time_point 。如果您无论如何都不想这样做，那并不意味着您的有状态时钟不好。如果您的有状态时钟符合您的目的，那么 很好 。
    在 C++20 中，甚至还有一个不满足所有 C++11-17 时钟要求的时钟示例:
    struct local_t {};
    是的，那是(某种)时钟。但它几乎没有任何作用。它用于创建一系列 condition_variable::wait_until 没有关联的 time_point :
    template<class Duration>
    using local_time  = time_point<local_t, Duration>;
    这在区分 UTC 时间点与与尚未指定的时区相关联的时间点时非常有用(想想类型安全)。
    因此，如果创建一个没有 now() 的时钟符合标准，那为什么不适合你呢？!我能想到的唯一原因是我上面引用的标准中的“小错误”。
    C++20 规范中的 27.6 [time.point] 说这关于 static now() :

    1 Clock shall either satisfy the Cpp17Clock requirements (27.3) or be the type local_t.


    我现在认为这是过度限制。程序员应该能够使用有状态时钟实例化 template<class Clock, class Duration> class time_point。他们只是不能用 time_point 调用 condition_variable::wait_until(等人)。但是他们仍然可以获得使用 time_point 和 time_point 的所有代数好处，因为它们的差异。
    除了标准这么说之外，没有充分的理由进行这种限制。并且 duration 的存在本身也不符合 Cpp17Clock 要求，这几乎证明了这一点。

    1 Clock shall either satisfy the Cpp17Clock requirements (27.3) or be the type local_t have the nested type duration if the instantiation defaults the template parameter Duration.


    更新 2
    现在有一个 paper tracking this issue 。
    更新 3
    proposed changes 现在在 C++20 之后的标准工作草案中:
    http://eel.is/c++draft/time.point.general
    http://eel.is/c++draft/thread.req.paramname
    非常感谢 Alexey Dmitriev 插入这项工作。

    关于c++ - 为什么 C++ 标准要求 `Clock::now` 函数为 `static` ？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/56400313/

    amp43codetimetime_pointc++language-lawyerchrono

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