简单聊聊计算机之中的时间

在工作中，程序员难免和时间打交道。那么时间背后的原理是什么呢？为什么会有闰年、闰秒呢？

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昼夜的由来

我们先简单聊聊昼夜是怎么来的。

如果你高中时学过地理，那么应该会知道为什么有昼夜和四季，可以暂时略过本小节

首先，地球是一个球体（确切的说，是一个椭圆的球体）

太阳也是一个球体，只不过比太阳大得多。

当太阳发出的光，到达地球后，光照到的部分，天空就亮了起来。

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那如果没被阳光的部分呢？天空就是黑的，也就是晚上。

就好比你拿一个手电筒，照着前面的柱子，那么被光照到的部分就是亮着的；柱子的背后就是黑的。

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那为什么会有日夜交替呢？因为地球在自转，就跟一个陀螺一样：

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当东半球转到太阳光能照射到的地方的时候，东半球表现为就天亮了；

与此同时，在地球的另一面，西半球转入黑暗，表项为天黑了 ‍

时区的由来

由于有了自转，人们可以根据太阳的起落来判断时间。

但这样有一个问题：各地位置不同时间标准不一，造成时间上的混乱。

因此，人们划分了时区，经度每隔 15°，地方时相差 1 小时，目前，全球共分为 24 个时区。

这样，对于各个地区的人们来说，12 点都是正午时刻，不会出现广州是 12 点，但是地球的另一边也是 12 点，但是天已经黑了的情况。

在一些大酒店中，时常能看到多个时钟，就是指多个时区的闹钟：

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▲ 酒店前台悬挂的不同时区时钟

但时区的划分，也有缺点，出国旅行的人，得倒时差，适应当地的生物钟。

四季的由来

为什么会有四季？因为地球在围绕着地球转圈圈：

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这个圈圈是一个椭圆。

当地球靠近太阳的时候，地球整体就会变暖，也就是夏天到了。

当地球远离太阳的时候，地球整体就会变冷，也就是冬天到了。

而地球围绕太阳转动一圈的时间，大概是 365 天。因此季节也就随之更替。

我们称地球围绕着太阳转圈圈的运动为公转。 ‍ 当地球转到到某个地方的时候，其就会逐渐靠近太阳，表现为天气越来越热，我们称这个转折点为夏至；秋风、冬至、春风同理。

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比如你家里有暖炉，当你靠近暖炉的时候，你会觉得变暖了；当你远离暖炉的时候，你会感觉变冷了。地球也是这样。

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自转和公转的来历

地球为什么会自转？为什么地球会绕着太阳转？这个没有人知道。

为什么地球就一直转到了现在？因为惯性。好比你在地上转一个陀螺，可能转几分钟就停下来了；但为什么地球能转这么久？因为地球的质量太大了，惯性也非常大；并且在宇宙中阻力很小（在地面上，总得和地面有磨擦、和空气有摩擦，这些阻力都会使得陀螺转的速度降低）

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举个例子：同样速度的货车和小车，他们的质量是不同的，惯性也不同；让两者同时停下来，需要耗费的能量也同；

如果让 2 个人去推小车，可能努努力能推动，并让小车有一定的速度（即使速度很小）；但如果让 2 个人去推货车，可能推都推不动，因为质量相差太大了。 ‍

闰年的来历

地球围绕太阳转一圈不应该就是 365 天吗？其实不是的。地球绕太阳运行周期，目前为 365 天 5 小时 48 分左右。当 4 年过去了，我们认为已经过了 4 * 365 天，实际上已经过了大概 366 天了（5 小时 48 分 ≈ 6 小时，4 年就是多出了 4 * 6 个小时，也就是 24 小时，一天）。

因此，每隔 4 年，我们会在 2 月底添加一天，以确保时间的准确；这一年就有 366 天，我们称之为闰年。其他非闰年的时候，我们称之为平年。

如果我们不添加闰年的话，如果我们认为过去了 4000 年，但实际上已经过了 4000 年 + 4000 * 6 个小时，也就是 240 天, 8 个月…

假设目前我们认为应该是 3 月的，但实际上已经多过去了 8 个月，地球此时已经是秋天了，但日历上还是春天… 季节就对不上了。

为了方便，人们规定，当一个年份能被 4 整除的时候，这一年就是闰年。

但是，5 小时 48 分终究不是 6 小时，只是近似而已。因此，如果按照每四年一个闰年计算，平均每年就要多算出 11 分钟多（0.0078 天），这样经过四百年就会多算出大约 3 天来。因此每四百年中要减少三个闰年。人们约定，在这 400 年中，第 1 年是闰年，第 100 年、第 200 年和第 300 年不是闰年。 例如，2000 年是闰年，2100 年则是平年,2200，2300 年也是；但 2400 是闰年。现行公历中每 400 年有 97 个闰年。

所以目前闰年的判断方法为：年份是整百数时，必须是 400 的倍数才是闰年；不是 400 的倍数的世纪年，即使是 4 的倍数也不是闰年。这就是通常所说的口诀：四年一闰，百年不闰，四百年再闰。 ‍ 那如何用代码判断是否闰年呢？以 Java 为例：

import java.util.Scanner;
public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		// 能被4整除却不能被100整除，或能被400整除的年份就是闰年！
		Scanner sc = new Scanner(System.in);
		System.out.println("请输入年份：");
		int i = sc.nextInt();
		if(i % 4 == 0 && i % 100 != 0 || i % 400 == 0) //与或 {
			System.out.println("是闰年");
		}
		else {
			System.out.println("不是闰年");
		}
	}
}

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世界时：第一套时间标准

天是根据地球的自转来定义的：也就是地球自转一圈的时间

年是根据地球的公转来决定的：也就是地球绕太阳一圈的时间

为了更精确的计算时间，人们把一天平均划分为 24 等份，这就是小时 （在古代，用的是时辰）

同理，把 1 小时划分 60 分钟，1 分钟划分为 60 秒。

因此 1 秒 = 1 / 24 * 60 * 60 = 1 / 86400 天。

后来人们根据天和年的定义，制造了钟表，用来表示时间。

注意，这些定义，都与自转和公转息息相关。

在 1927 年，人们以基于「天文现象」+「钟表计时」，确立了第一套时间标准：世界时（Universal Time，简称 UT）。 ‍

世界时的缺点：不精确

前面我们说过，地球自转的原因可能没人知道；但地球会一直转下去吗？很可能不会。地球的自转的速度是在慢慢降低的...

地球从 46 亿年前诞生，大概每过一世纪，一昼夜的时间会增加 1.7ms。自转变慢了，意味着地球转动一周的时间变久了。换句话说，也就是在很久很久之前，地球的一天并不是 24 小时。例如在 2.4 亿年前，恐龙时期，一天大概 23 小时。

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为什么地球自转会变慢？大部分原因是因为月球。月球引发的潮汐现象，会耗费地球的自转能量，降低自转的速度。其他影响自转速度的因素，还有地壳运动、冰川融化、地震等自然现象 ‍ 这会导致什么问题呢？会导致时间不精确。例如，我们计算时间的时候，一天明明是 24 小时，但可能过了几年后，一天就不是 24 小时了....

同样的，1 秒也不太准确，因为 1 秒 = 1 / 86400 天。（24 小时 * 60 分钟 * 60 秒 = 86400 秒）

对于人们的基本生活，可能没有影响。毕竟人类诞生这么久了，没有时间的概念的时候，不也生活了很久吗？

但在一些需要精确计算时间的场景，这就变的很重要了。

例如，体育赛事中百分之一秒的差距就能决定胜负，炮弹的发射要精确在千分之一秒内发生，雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒。尤其是卫星发射、火箭试验等航天领域，对高精度的时间系统也提出了越来越高的要求！还出现了多种时间单位：毫秒、微妙和纳秒

1s = 1000ms 毫秒 = 10 的 6 次方 us 微秒 = 10 的 9 次方 ns 纳秒

1ms = 1000 us 微秒

1 us = 1000 ns 纳秒

那么，有没办法解决这个问题呢？ 除了观察昼夜和四季，是否有什么物质可以不收外界的影响，其运动的周期一直是稳定的呢？有的，原子。

原子钟：完全稳定的一秒

我们想要一个稳定的，不受外界影响的东西，其运动周期是稳定的，因为我们需要每一秒都是固定的，精确的。而以天文观测、地球自转为基础的时间测量，做不到这一点。

科学家们经过层层实验，找到了这样一种原子：铯（sè）原子，其内部的运动周期比其他原子更短，更稳定。

之后，科学家们就以之前定义的「秒」为基础，去测量一秒内这个铯原子内部电子周期运动的「次数」，测量出来的结果为 9192631770 次（91 亿 + 次）。

因此，在 1967 年，国际度量衡大会决定采用，以铯原子跃迁 9192631770 个周期，所持续的时间长度定义为 1 秒！注意，这个一秒是绝对稳定的，等长的，实现了精确的计时！（1 亿年误差不超过 1 秒）

不用太过深究怎么测量的，物理细节很多；我们这里不展开。 ‍ 有了原子钟，人们基于原子钟又确立了一套新的时间标准，叫做「国际原子时」（International Atomic Time，简称 TAI）。

这套时间标准，能否直接取代之前数的世界时呢？情况没这么简单.......

世界标准时间：加个闰秒

目前，我们有两套时间标准：

1. 世界时：基于地球自转和公转
2. 国际原子时：基于铯原子的运动周期

假设我们以国际原子时为时间标准，取代了之前的世界时，会发生什么呢？

1. 那就是两套时间标准的差距越来越大。因为世界时是越来越慢的（自转越来越慢），在几百年后，可能世界时还是 12 点，而原子钟可能是下午两点了……
2. 其次，人们已经用了上千年的世界时，难以被其他时间标准取代
3. 但我们又需要原子钟这种精确的计时 ‍ 怎么办呢？那就各退一步吧！

科学家们重新创建一个时钟标准（第三者），先以原子钟计时；当世界时和原子钟相差 1 秒的时候，就人为的调整这个第三者的时间（添加或减少一秒），让两者的误差在 1s 内。

而加的这一秒，科学家把它定义为「闰秒 Leap Second」，也就是第 60 秒。

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相当于让走得快的时钟“等”一会儿走得慢的时钟。

这样，我们的每一秒都是精确的，同时和世界时的误差也很小，一举两得。

由于这个时钟是基于原子时 + 世界时「协调」得出的，所以科学家们把它定义为协调世界时（Coordinated Universal Time，简称 UTC）。

至此，科学家们建立的这套时间标准，就是我们现在沿用至今的「​标 准 时 间​」！

至此，全新的世界标准时间确立了，这套时间标准于 1972 年正式确定，一致沿用至今。

PS：根据时区的划分，北京时间比 UTC 快了 8 小时，即 UTC+8 ‍

计算机如何同步时间：授时

有了 UTC 标准时间，那么我们平时的电子设备是如何同步时间的呢（电脑，手机，平板等）？

原理也很简单，就是有一个专门提供时间的服务器，各个电子设备通过接收该服务器发送的信息，调整自身的时间。当然实现起来还是有一点复杂的，因为网络自身也有延迟，这里暂时不展开。感兴趣的同学可以参考附注 1.

烦人的闰秒

闰秒是不是百害无一利呢？不是的，至少，在计算机行业里不是……

2012 年 Reddit 一次系统崩溃就因闰秒而起，时长超半小时。一组运行开源 Linux 操作系统的机器未能正确处理增添的闰秒，导致一连串服务器停止运行。

2017 年，美国云安全网络公司 Cloudflare 受闰秒影响，导致托管在该公司的部分网络资源暂时脱机。

不止一两家，浏览器 Mozilla、领英、点评网站 Yelp、澳洲航空均因闰秒出现过问题。 ‍ 阿里云也曾发出的公告：2017 年 1 月 1 日闰秒调整公告 (opens new window)

尊敬的阿里云用户，

您好，国际地球自转和参考系统服务地球定向中心(IERS)近日通过推特重申，国际标准时间 UTC 将在格林尼治时间 2016 年 12 月 31 日 23 时 59 分 59 秒(北京时间 2017 年 1 月 1 日 7 时 59 分 59 秒)之后，在原子时钟实施一个正闰秒，即增加 1 秒，然后才会跨入新的一年。

由于时差的原因，我国将在北京时间 2017 年 1 月 1 日的 7 时 59 分 59 秒和全球同步进行闰秒调整，届时会出现 7:59:60 的特殊现象。

期间对您的影响如下：

1、如果您的 ECS 云服务器上运行的应用程序和业务对系统时间没有依赖，可以忽略闰秒的影响。

2、如果您的 ECS 云服务器上运行的应用程序和业务对系统时间要求比较精确，并且您的 ECS 服务器上的 NTP 是使用阿里云默认 NTP 服务，闰秒调整可能会对您的应用或者业务造成一定影响。请仔细阅读阿里云 NTP 服务调整方案，评估一下风险，尽量避免。

阿里云的 ECS 云服务器的 NTP 服务采用忽略闰秒时刻的跳秒，缓慢同步消除闰秒带来的 1 秒误差的方案来面对闰秒事件。

详情点此查看 (opens new window)

阿里云计算有限公司

2016 年 12 月 19 日 ‍ 这里补充一下：NTP（Network Time Protocol）是一个自动校准时间的服务。

目前，科技公司凑合着弄的主流解决方案是——将多出的一秒分成很多个小段，在不影响运行情况下，悄悄插入时间中，将多出来的一秒「抹平」。

谷歌 Meta 等大厂均在使用此类方法。

当然，也有人选择直接暂停 NTP（网络时间协议）服务一秒钟，以此额外增加一秒。

每次调整，各家公司都出动大批技术运维来调整时间（如暂时关闭 NTP 等）、修改程序，避免当中出现 bug 影响业务。

Linux 之父，Linus Torvalds 曾对媒体提起该话题，也表示出对闰秒的无奈：它真的很烦人，且难以在常规环境下测试，就要交付给用户。 ‍ 因此，Meta、谷歌、微软等巨头同 Linux 之父 Linus Torvalds，都提倡废除闰秒，还找来美国国家标准与技术研究院（NIST）和国际计量局（BIPM），帮他们背书，一同证明「废除」的合理性。

It's time to leave the leap second in the past - Engineering at Meta (opens new window) ‍ 目前，预计是 2035 年废除闰秒，直到 2135 年，期间，计量学家们也在寻找更好的方案。

当然，也不是所有人都支持这个决定，例如俄罗斯：他们的卫星定位系统 GLONASS 也需要进行相应调整和重新设计，因此，他们希望闰秒取消时间推迟到 2040 年……

不过，2035 年这么久之后的事情，我们到时再看吧，说不定有更好的方案出现了呢 😄

总结

好了，这篇文章我们讲了非常多的概念，这里我们再重新梳理一遍：

1、人类的早期生活，依靠观测「天文现象」来测量时间，基于地球自转规律，定义了一套时间标准：「世界时」。

2、后来人们发现，由于地球公转轨道是一个椭圆，并且地球自转还受到地球内部的影响，自转速度越来越慢，人们发现世界时测算出的时间「不准」。

3、科学家们开始从「微观世界」寻找更稳定的周期运动，最终确定以「铯原子」的振动频率为基准，制造出了「原子钟」，确立了「世界原子时」，并重新定义了「秒」长度，时长高度精确。

4、但由于人类社会活动已高度依赖「世界时」，所以科学家们基于「原子时」和「世界时」，最终确立出新的时间标准：「世界协调时」，把它定义成了全球的时间标准，至此，世界标准时间诞生。

5、中国基于「世界协调时」再加上 8 小时时区之差，确立了「北京时间」，并广播给整个中国大地使用。

6、「国家授时中心」把北京时间广播给全国的「时间服务器」，我们生活中使用的时间，例如计算机，就是通过时间服务器自动同步校准的。

7、计算机通过 NTP 完成和时间服务器的「自动校准」，我们的应用程序基于此，才得以获取到准确的时间。

8、NTP 服务应该采用润物细无声的方式同步时间，避免时间发生「倒流」。

附注

1. 计算机时间到底是怎么来的？程序员必看的时间知识！ (opens new window)本文主要是阅读了该篇文章，有感而发，非常感谢 Kaito 大佬写的文章，写的非常详细；本文则写的略微简单了一点。
2. 在地球以亿万年计算的历史中，为什么地球自转没有衰减到近乎停止？ - 知乎 (opens new window)：有生动和详细的例子，描述了影响地球自转的因素
3. 另外在知乎和 B 站上搜寻了相关的截图：第 04 讲《地球的自转和公转》 (opens new window)
4. 程序员狂喜？这东西终于要废除了！ (opens new window) ‍