简单聊聊计算机之中的时间
# 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？
# 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。
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
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：
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等。
▲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，必须随时调整自己的手表，才能和当地时间相一致。
# 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：
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。
如果你家里有暖炉，当你靠近暖炉的时候，你会觉得附近变暖了；当你远离暖炉的时候，你会感觉附近变冷了。地球也是这样。
# 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？这个可能没有人知道。。。目前有种说法是：从地球诞生的时候，因为某种原因导致地球转动了起来，并且围绕着太阳转动。
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）
举个狸子：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，需要耗费的能量也不通过；
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。
注意，我们需要的精确的时间。
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：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？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
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！（1亿年不差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：
- 世界时：基于地球自转和公转
- 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？
- 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……
- 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
- 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，就认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。（从0开始到59，有60秒）
相当于让走得快的时钟等一会走得慢的时钟。
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。
# 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。
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，总结一下。
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
- 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，直接打赏了；本文则写的略微简单了一点，感兴趣的读者可以看看。
- 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
- 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)
- 程序员狂喜？这东西终于要废除了！ (opens new window)
