スキップしてメイン コンテンツに移動

C の時間操作関数は tm 構造体の BSD 拡張を無視するという話

ラベル:

久しぶりに C++ (as better C) で真面目なプログラムを書いていて引っかかったので備忘録。 「拡張なんだから標準関数の挙動に影響するわけねえだろ」という常識人は読む必要はない。

要旨

  • time_t の表現は環境依存
  • サポートしている時刻は UTC とプロセスグローバルなシステム時刻 (local time) のみで、任意のタイムゾーン間の時刻変換を行う標準的な方法はない
  • BSD / GNU libc は tm 構造体にタイムゾーン情報を含むが、tm -> time_t の変換 (timegm / mktime) においてその情報は無視される

事前知識

C 標準ライブラリにおいて時刻の操作に関係するものは time.h (C++ では ctime) ヘッダに定義されている。ここで時刻を表現するデータ型は2つある: time_t と tm である。time_t が第一義的な型であり、それを人間が扱い易いように分解した副次的な構造体が tm という関係になっている。なので標準ライブラリには現在時刻を time_t として取得する関数 (time_t time(time_t *)) が先ずあり、そこから time_t と tm を相互に変換する関数が定義されている。

ここで time_t の定義は処理系依存である。C / C++ 標準はそれが算術型であることを求めているのみで (C11 からは実数型に厳格化された)、その実体は任意である。POSIX においては UNIX epoch (1970-01-01T00:00:00Z) からのうるう秒を除いた経過秒数であることが保証されており Linux や BSD の子孫も同様だが、この事実に依存するのは移植性のある方法ではない。

一方で tm は構造体であり、最低限必要なデータメンバが規定されている:

  • int tm_year: 1900 年からの年数
  • int tm_mon: 月 (0-based; 即ち [0, 11])
  • int tm_mday: 月初からの日数 (1-based)
  • int tm_hour: 時 (Military clock; 即ち [0, 23])
  • int tm_min: 分
  • int tm_sec: 秒 (うるう秒を含み得るので [0, 60])
  • int tm_wday: 直近の日曜日からの日数
  • int tm_yday: 年初からの日数
  • int tm_isdst: サマータイム中か (1) 否か (0)

tm_isdst 以外タイムゾーンに関係する項目がないのが分かる。

また BSD / GNU libc は以下のデータメンバも含む:

  • char *tm_zone: 考慮したタイムゾーンの名前
  • long gmtoff: 考慮したタイムゾーンのUTC からのオフセット秒数

tm_zone が指しているのはライブラリ内部で管理している領域なので、const はついていないものの書き換えたりするべきではない。

タイムゾーン

time_t は扱うシステムのタイムゾーンに依らない表現だが、それを変換した tm はカレンダー日時なので当然影響を受ける。 そのため C 標準ライブラリが提供する time_t -> tm の変換は常に UTC に基いて計算する gmtime と、プロセスのタイムゾーン設定を考慮した localtime の2種が提供されている。 逆の操作 (tm -> time_t) は local time に対応する mktime だけが標準化されている。BSD / GNU libc には名前の対称性から timegm / timelocal (mktime の同義語) が存在する。

今「プロセスのタイムゾーン設定」と書いたとおり、タイムゾーン設定はプロセスグローバルである。またその設定方法 (POSIX であれば TZ 環境変数を設定して tzset 関数で変更を反映する) は環境依存なので、C 標準ライブラリには任意のタイムゾーン間の時刻変換をする可搬な方法はないものと思って良い。

gmtime で時刻を得た場合、time_isdst = 0 / tm_zone = "GMT" / tm_gmtoff = 0 になる。 localtime の場合は環境によるが、例えば TZ=Asia/Tokyo (JST) な環境なら time_isdst = 0 / tm_zone = "JST" / tm_gmtoff = 32400 になるだろう。

tm から time_t への逆変換

さて得られたカレンダー日時を再び time_t 表現に戻す操作を考える。この場合に使える変換は先述のように timegm / mktime (timelocal; 対称性から以後こちらを使う) である。

tm 構造体は便利のために tm_wday / tm_yday データメンバを持つが、これらは tM_year / tm_mon / tm_mday から定まるので単に無視される。整合性はチェックされない。

time_t から tm への変換時には tm の各データメンバは自明な値域内の値を持ったが、逆変換に渡す tm 構造体はそれらを逸脱する値を持っても良い: tm_mon = 8 / tm_mday = 40 (9月40日) なら tm_mon = 9 / tm_mday = 10 (10月10日) に正規化されるし、tm_year = 100 / tm_mon = -1 (2000年-1月) なら tm_year = 99 / tm_mon = 11 (1999年12月) になる。

ややこしいのは tm_isdst の扱いで、まず timegm で変換する場合単に無視される。サマータイムは有り得ないからだ。timelocal の場合、tm_isdst >= 1 / tm_isdst = 0 はそれぞれサマータイム中か否かを示しそれを計算に含む。tm_isdst < 0 のときは環境変数で設定されたタイムゾーンから指定の日付がサマータイム中か否かを自動判定する。

ところで BSD / GNU 拡張の tm_zone / tm_gmtoff だが、実はこれらも常に無視される。例え tm_zone = "JST" / tm_gmtoff = 32400 になっていようが TZ=Europe/Berlin な環境で timelocal を呼べば CET (UTC+0100) タイムゾーンにおける日時として計算される。

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using namespace std;

int main() {
  time_t now = time(nullptr);
  tm calendar = *localtime(&now);

  // Resets local time zone to CET.
  setenv("TZ", "Europe/Berlin", 1);
  tzset();
  // Restores |time_t|, treating the given |calendar| as a CET datetime.
  time_t restored_in_cet = timelocal(&calendar);

  // Shows difference between CET and original time zone, in seconds.
  printf("%lf\n", difftime(restored_in_cet, now));

  return 0;
}

これをコンパイルして実行すると以下の結果を得られる:

% clang++ --std=c++11 -o timelocal timelocal.cc
% TZ=Asia/Tokyo ./timelocal
28800.000000

考えてみればこれは当たり前で、mktime が標準ライブラリ関数である以上、拡張データメンバを参照して挙動が変わると仕様を逸脱してしまうのだった。おしまい。

コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

Perl 7 より先に Perl 5.34 が出るぞという話

Perl 5 の次期バージョンとして一部後方互換でない変更 (主に間接オブジェクト記法の削除とベストプラクティスのデフォルトでの有効化) を含んだメジャーバージョンアップである Perl 7 がアナウンスされたのは昨年の 6 月 のことだったが、その前に Perl 5 の次期周期リリースである Perl 5.34 が 5 月にリリース予定 である。 現在開発版は Perl 5.33.8 がリリースされておりユーザから見える変更は凍結、4 月下旬の 5.33.9 で全コードが凍結され 5 月下旬に 5.34.0 としてリリース予定とのこと。 そういうわけで事前に新機能の予習をしておく。 8進数数値リテラルの新構文 見た瞬間「マジかよ」と口に出た。これまで Perl はプレフィクス 0 がついた数値リテラルを8進数と見做してきたが、プレフィクスに 0o (zero, small o) も使えるようになる。 もちろんこれは2進数リテラルの 0b や 16進数リテラルの 0x との一貫性のためである。リテラルと同じ解釈で文字列を数値に変換する組み込み関数 oct も` 新構文を解するようになる。 昨今無数の言語に取り入れられているリテラル記法ではあるが、この記法の問題は o (small o) と 0 (zero) の区別が難しいことで、より悪いことに大文字も合法である： 0O755 Try / Catch 構文 Perl 5 のリリース以来 30 年ほど待たれた実験的「新機能」である。 Perl 5 における例外処理が特別な構文でなかったのは予約語を増やさない配慮だったはずだが、TryCatch とか Try::Tiny のようなモジュールが氾濫して当初の意図が無意味になったというのもあるかも知れない。 use feature qw/ try / ; no warnings qw/ experimental::try / ; try { failable_operation(); } catch ( $e ) { recover_from_error( $e ); } Raku (former Perl 6) だと CATCH (大文字なことに注意) ブロックが自分の宣言されたスコープ内で投げられた例外を捕らえる...
1 件のコメント
続きを読む

(multi-)term-mode に dirtrack させる zsh の設定

TL;DR .zshrc に以下を書けば良い: # Enable dirtrack on (multi-)term-mode. if [[ " $TERM " = eterm * ]]; then chpwd() { printf '\032/%s\n' " $PWD " } fi 追記 (May 14, 2025): oh-my-zsh を使っていれば emacs プラグインが勝手にやってくれる: plugins = ( emacs ) 仔細 term-mode は Emacs 本体に付属する端末エミュレータである。基本的には Emacs 内でシェルを起動するために使うもので、古い shell-mode よりも端末に近い動きをするので便利なのだが、一つ問題がある。シェル内でディレクトリを移動しても Emacs バッファの PWD がそのままでは追従しない点だ。 こういう追従を Emacs では Directory Tracking (dirtrack) と呼んだりするが、 shell-mode や eshell ではデフォルトで提供しているのに term-mode だけそうではない。 要するにシェル内で cd してもバッファの PWD は開いた時点のもの (基本的には直前にアクティヴだったバッファの PWD を継承する) のままなので、移動したつもりで C-x C-f などをするとパスが違ってアレっとなることになる。 実は term-mode にも dirtrack 機能自体は存在しているのだが、これは シェルがディレクトリ移動を伴うコマンドを実行したときに特定のエスケープシーケンスを含んだ行を印字することで Emacs 側に通知するという仕組み になっている。 Emacs と同じく GNU プロジェクトの成果物である bash は Emacs 内での動作を検出すると自動的にこのような挙動を取るが、zsh は Emacs の事情なんか知ったことではないので手動で設定する必要がある。 まずもって「ディレクトリ移動のコマンドをフックする」必要がある訳だが、zsh の場合これは簡単で cd / pushd / popd のようなディレクトリ...
コメントを投稿
続きを読む

macOS で GUI 版 Emacs を使う設定

macOS であっても端末エミュレータ上で CLI 版 Emacs を使っているプログラマは多いと思うが、端末側に修飾キーを取られたり東アジア文字の文字幅判定が狂ってウィンドウ描画が崩れたりなどしてあまり良いことがない。 それなら GUI 版の Emacs.app を使った方がマウスも使える上に treemacs などはアイコンも表示されてリッチな UI になる。 しかし何事も完璧とはいかないもので、CLI だと問題なかったものが GUI だと面倒になることがある。その最大の原因はシェルの子プロセスではないという点である。つまり macOS の GUI アプリケーションは launchd が起動しその環境変数やワーキングディレクトリを引き継ぐので、ファイルを開こうとしたらホームディレクトリ ( ~/ ) でなくルートディレクトリ ( / ) を見に行くし、ホームディレクトリなり /opt/local なりに好き勝手にインストールしたツールを run-* 関数やら shell やら flycheck やらで実行しようとしてもパスが通っていない。 ワーキングディレクトリに関しては簡単な解決策があり、 default-directory という変数をホームディレクトリに設定すれば良い。ただし起動時にスプラッシュスクリーンを表示する設定の場合、このバッファのワーキングディレクトリは command-line-default-directory で設定されており、デフォルト値が解決される前に適用されてしまうので併せて明示的に初期化する必要がある: (setq default-directory "~/") (setq command-line-default-directory "~/") 次にパスの問題だが、まさにこの問題を解決するために exec-path-from-shell というパッケージがある。これを使うとユーザのシェル設定を推定し、ログインシェルとして起動した場合の環境変数 PATH と MANPATH を取得して Emacs 上で同じ値を setenv する、という処理をやってくれる。MELPA にあるので package-install するだけで使えるようになる。 このパッケージは GUI ...
コメントを投稿
続きを読む

Perl の新 class 構文を使ってみる

Perl 5 のオブジェクト指向機能は基本的には Python の影響を受けたものだが、データを名前空間 (package) に bless する機構だけで Perl 4 以来の名前空間とサブルーチンをそのままクラスとメソッドに転換し第一級のオブジェクト指向システムとした言語設計は驚嘆に価する。 実際この言語のオブジェクトシステムは動的型付言語のオブジェクト指向プログラミングに要求されるおよそあらゆる機能を暗にサポートしており、CPAN には Moose を筆頭とした屋下屋オブジェクトシステムが複数存在しているがその多くは Pure Perl ライブラリである。つまり「やろうと思えば全部手書きで実現できる」わけである。 そういうわけで Perl のオブジェクト指向プログラミングサポートは機能面では (静的型検査の不在という現代的には極めて重大な欠如を除けば) 申し分ないのだが、しかし Moose その他の存在が示しているように一つ明らかな欠点がある。記述の冗長さだ。 コンストラクタを含むあらゆるメソッドは第一引数としてレシーバを受ける単なるサブルーチンとして明示的に書く必要があるし、オブジェクトのインスタンス変数 (a.k.a. プロパティ / データメンバ) は bless されたデータに直接的ないし間接的に プログラマ定義の方法 で格納されるためアクセス手段は実装依存である。これはカプセル化の観点からは望ましい性質だが、他者の書いたクラスを継承するときに問題となる。ある日データ表現を変更した親クラスがリリースされると突然自分の書いた子クラスが実行時エラーを起こすようになるわけだ。 そうならないためにはインスタンス変数へのアクセスに (protected な) アクセサを使う必要があるのだが、そのためには親クラスが明示的にそれらを提供している必要があるし、そもそも Perl にはメソッドのアクセス修飾子というものがないので完全な制御を与えるならばオブジェクトの内部状態がすべて public になってしまう。 そのような事情もあり、特にパフォーマンスが問題にならないようなアプリケーションコードでは Moose のようなリッチな語彙を提供するオブジェクトシステムを使うことが 公式のチュートリアルでも推奨 されてきた。Perl コアのオブジェクトシステムの改良は...
コメントを投稿
続きを読む

Perl のサブルーチンシグネチャ早見表

Perl のサブルーチン引数といえば実引数への参照を保持する特殊配列 @_ を手続き的に分解するのが長らくの伝統だった。これはシェルの特殊変数 $@ に由来する意味論で、おそらく JavaScript の arguments 変数にも影響を与えている。 すべての Perl サブルーチンはプロトタイプ宣言がない限りリスト演算子なので、この流儀は一種合理的でもあるのだが、実用的にそれで良いかというとまったくそうではないという問題があった; 結局大多数のサブルーチンは定数個の引数を取るので、それを参照する形式的パラメータが宣言できる方が都合が良いのである。 そういうわけで実験的に導入されたサブルーチンシグネチャ機能により形式的パラメータが宣言できるようになったのは Perl 5.20 からである。その後 Perl 5.28 において出現位置がサブルーチン属性の後に移動したことを除けば Perl 5.34 リリース前夜の今まで基本的に変わっておらず、未だに実験的機能のままである。 おまじない シグネチャは前方互換性を持たない (構文的にプロトタイプと衝突している) 実験的機能なのでデフォルトでは無効になっている。 そのため明示的にプラグマで利用を宣言しなければならない: use feature qw/signatures/; no warnings qw/experimental::signatures/; どの途みんな say 関数のために使うので feature プラグマは問題ないだろう。実験的機能を断りなしに使うと怒られるので、 no warnings で確信犯であることをアピールする必要がある。 これでプラグマのスコープにおいてサブルーチンシグネチャ (と :prototype 属性; 後述) が利用可能になり、 従来のプロトタイプ構文が無効になる。 使い方 対訳を載せておく。シグネチャの方は実行時に引数チェックを行うので厳密には等価でないことに注意: # Old School use feature qw/signatures/ 1 sub f { my ($x) = @_; ... } sub f($x) { ... } 2 sub f { my ($x, undef, $y) = @_...
コメントを投稿
続きを読む