Day13 C++ 時間庫和線程庫學習筆記（Chrono 與 Thread）

一、時間庫 <chrono>

1.1 基本概念

C++ 的 <chrono> 時間庫中包含三個核心概念：

• Clock（時鐘）：提供當前時間的來源，常用的有：
  • system_clock：系統時間，可轉換為 time_t 類型（適合打印日志）
  • steady_clock：單調時鐘，適合測量時間間隔（不受系統時間修改影響）
  • high_resolution_clock：高精度時鐘，底層通常等同于 steady_clock
• time_point（時間點）：代表某個時鐘上的具體時刻。
• duration（時間段）：表示兩個時間點之間的時間差。

1.2 使用示例

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <ctime>
#include <thread>void wait_or_sleep_for_or_until() {using namespace std::chrono_literals; // 支持 1s, 10ms 等單位std::this_thread::sleep_for(1s); // 睡眠1秒（使用 duration 類型）std::this_thread::sleep_until(std::chrono::high_resolution_clock::now() + 1s); // 睡眠到某時間點
}void calculate_execution_time() {auto before = std::chrono::high_resolution_clock::now();// 執行某段代碼auto after = std::chrono::high_resolution_clock::now();auto elapsed = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(after - before);std::cout << "Elapsed: " << elapsed.count() << " ms\n";
}int main() {auto now = std::chrono::system_clock::now();std::time_t now_c = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);std::cout << "Current time: " << std::ctime(&now_c);
}

1.3 duration 字面量單位

使用 std::chrono_literals 命名空間后支持：

• h, min, s, ms, us, ns

二、線程庫 <thread>

2.1 基本用法

創建線程的方式：

std::thread t(func); // 執行 func()
t.join();  // 等待線程結束
t.detach(); // 讓線程獨立運行，主線程不再等待

線程函數可以使用 lambda 表達式，支持傳入引用：

int x = 10;
std::thread t([&x] { x += 5; });
t.join();

2.2 數據競爭（Race Condition）

多個線程同時修改共享變量（如 sum）會引發數據競爭，結果不確定。

2.3 加鎖：互斥鎖 std::mutex

std::mutex mtx;
mtx.lock();
sum += value;
mtx.unlock();

推薦使用 std::lock_guard 實現 RAII 風格的自動加鎖解鎖：

std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
sum += value; // 自動解鎖

2.4 示例：單線程與多線程性能對比

單線程版本

void single_thread() {auto data = generate_data();unsigned long long sum = 0;Timer clock;for (const auto& array : data) {for (int i : array) {// 計算密集操作（模擬）sum += i;}}std::cout << "single_thread: " << clock.duration() << " sum: " << sum << "\n";
}

多線程 + 共享內存（未加鎖）

void race_condition_of_shared_memory() {unsigned long long sum = 0;std::vector<std::thread> threads;for (const auto& array : data) {threads.emplace_back([&] {for (int i : array) sum += i; // 存在數據競爭！});}for (auto& t : threads) t.join();
}

多線程 + 加鎖

void mutex_version() {std::mutex mtx;unsigned long long sum = 0;for (...) {threads.emplace_back([&] {for (...) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);sum += i;}});}
}

優化版：每線程局部求和后再加總（鎖移出循環）

void mutex_out_of_loop() {std::mutex mtx;unsigned long long sum = 0;for (...) {threads.emplace_back([&] {unsigned long long local_sum = 0;for (...) local_sum += i;std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);sum += local_sum;});}
}

三、線程安全總結

方案	是否安全	性能	說明
單線程	安全	慢	無并發
多線程（無加鎖）	不安全	快但錯誤	數據競爭
多線程 + 每次加鎖	安全	慢	鎖粒度太小
多線程 + 聚合后加鎖	安全	快	推薦方案，鎖粒度大、代價低

四、調試建議

• 建議使用 Debug 模式運行，避免 release 模式優化導致時間測不準。
• 保持線程 join/detach 的正確性，避免程序異常終止。
• 避免棧內存分配超大數組，可使用 std::vector<std::array<>> 放在堆上。

五、參考資源

• zhihu chrono 詳解
• C++ Concurrency In Action (書籍)