C言語で小数点以下6桁まで出力したい。gettimeofdayを使用し、構造体でsec, usec保持

Question

C言語でgettimeofdayを使っているのですが、出力が期待した値でないときがあるので、解決法をご教示いただけたらと思います。
C言語で出力結果を小数点以下6桁で出したい、というものです。

以下は骨組みを簡略化したコードとなります。問題が起きているほぼそのままの実装です。
また、このコードでは正常に動きますが、私の手元にある少々複雑なコードでは、%06luとしているのに出力が9.18446744073709270220となって、小数点以下6桁で切れていないときがあります。
何が原因と考えられますか。

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

struct timeval tv;

struct struct_sec {
  time_t time_sec;
};

struct struct_usec {
  suseconds_t time_usec;
};

static struct struct_sec struct_sec;
static struct struct_usec struct_usec;

int main(int argc, char **argv) {
  struct_sec.time_sec = 0;
  struct_usec.time_usec = 0;

  gettimeofday(&tv, NULL);
  time_t time_before_sec, time_after_sec;
  suseconds_t time_before_usec, time_after_usec;
  time_before_sec = tv.tv_sec;
  time_before_usec = tv.tv_usec;

  /* ここになんかの処理 この処理の時間を測る*/
  sleep(1); // 今回はsleep

  gettimeofday(&tv, NULL);

  time_after_sec = tv.tv_sec;
  time_after_usec = tv.tv_usec;

  time_t time_1 = time_after_sec - time_before_sec;
  suseconds_t time_2 = time_after_usec - time_before_usec;

  struct_sec.time_sec += time_1; // 今回は１つの和だが、実際は何回か足して合計時間を測る
  struct_usec.time_usec += time_2;

  printf("%ld.%06lu\n", struct_sec.time_sec, struct_usec.time_usec); // この出力が小数点以下6桁を指定しているのにそうじゃないときがある。

  return 0;
}

どうかよろしくお願いいたします。

Answer 1

あなたは２つの点で誤解をしています。
問題点１
書式設定を%06luとすれば、かならず、6桁で表示されると考えている。
これは誤りです。表示するデータが0～999999の場合は6桁で表示されます。
1->000001
20->000020
123456789->123456789
のようになります。
従って、
struct_usec.time_usecに18446744073709270220のような大きな数値が格納されていれば
結果的にその数字が表示されます。

問題点２
時間のusecの扱い方に問題がある。
suseconds_t time_2 = time_after_usec - time_before_usec;
これを行うと、time_after_usec < time_before_usecの場合、time_2に非常に大きな意味のない値が格納される。

time_after_usec = 1
time_before_usec = 4 なら
time_2は18446744073709551613となる。

このケースを想定して

time_t time_1;
suseconds_t time_2;
if (time_after_usec < time_before_usec){
	time_2 = 100000 + time_after_usec - time_before_usec;
	time1 = time_after_sec - time_before_sec -1;
}else{
	time_1 = time_after_sec - time_before_sec;
	time_2 = time_after_usec - time_before_usec;
}

のようにしないといけない。

時刻の加算については
struct_usec.time_usec += time_2;
これを行うと、struct_usec.time_usecが1000000以上になる場合があるが、その場合は
struct_usec.time_usecを1000000で割った商をstruct_sec.time_secに加算しないといけない。
そしてstruct_usec.time_usecを1000000で割った余りをstruct_usec.time_usecに設定する必要がある。
要はstruct_usec.time_usecが1秒以上なら、その秒数をstruct_sec.time_secに加算し、
struct_usec.time_usecは常に0～999999の範囲に収まるようにしないといけないということです。

時間の管理をusec単位で行うなら、catsforepawさんの方法（秒をusecに換算してusecで管理する方法）が最も簡単でかつ正確かと思います。

Comments

[nohope2nolife]

ありがとうございます！！
助かりました！

Answer 2

ありがちなミスですね。POSIXの時間管理のダサさがミスを誘発しています。

まず、timeval構造体のtv_usecには、秒未満をマイクロ秒で表す値が格納されるので必ず6桁で収まります。したがってその部分の書式は%06luで合っています。

では何故ご質問のコードでは6桁を超えるかというと、時間間隔の計算が間違っているからです。

ご質問のコードでは秒と秒未満のそれぞれを別個に計算していますが、time_after_usecがtime_before_usecより小さい場合を考慮していません。例えば、afterが12.3秒でbeforeが10.5秒だったとして、整数部分と小数部分を単純に別個に計算してしまうとどうなるでしょう。3から5を引いたらマイナスになってしまいますが、それと同様なことが起きています。
マイナスの値を%06luと正数値として表示しようとすると、大きな値が表示されることになります。

小学校で習った筆算を思い出してください。同じ桁位置で引かれる値よりも引く値が多きい場合は、上の桁から一つ借りてくる（借りてきた上の桁は一つ減らす）ということをしますよね。もし秒部分とマイクロ秒部分を別個で計算したいのなら、同じように繰り下がりを処理しなければいけません。

よりスマートに処理するのなら、時間を秒部分とマイクロ秒部分に分けて扱うのではなく、秒部分をマイクロ秒に換算して秒未満と合算して一つの値として扱いましょう。そうすれば時間間隔は一回の引き算で求まります。その際、long型だと処理系によっては桁あふれを起こすので、long long型を利用してください。

Comments

[nohope2nolife]

ありがとうございます！！
わかりやすかったので私でも理解でき，とても勉強になりました．

Answer 3

%06lu →　%06.6lu
フォーマット指定子一覧
「追記」

usr ~/Project/test % ./a.out 
1.000408
usr ~/Project/test % ./a.out
1.000410
usr ~/Project/test % ./a.out
1.000066
usr ~/Project/test % ./a.out
1.000114
usr ~/Project/test % ./a.out
1.000096