漫谈时间和时区

妖狐艹你老母 2022-07-11 12:27 611阅读 0赞

# 漫谈时间和时区 #

## 一、前言 ##

最近在学习关于时间、时区的知识，参考了网上的一些资料，主要来源是wiki和Linux Manual，现在把阅读过程中的一些心得记录下来。在本文中，简略描述了下列相关内容：

*  时间度量
 *  计时系统
 *  GMT
 *  UT
 *  TAI
 *  UTC
 *  Unix Time
 *  Linux time zone setting
 *  Daylight saving time

## 二、时间 ##

时间是一个很有趣的东西。远古人们基于太阳运转的昼夜交替，称之为日；观察月亮的盈缺变换，在两次月圆之间的周期定为月；再通过测量太阳南北周期变化，年的概念。   
   
日月年，是最早出现的时间度量，也是历法的基本元素，其中又以`日`最为基本。历法是人类社会指导耕牧采集的重要依据，为了完善历法，要求天文学不断进步以对时间做更精确的测量。所以，早期的时间观念，是天文学的产物。   
   
一`日`是很长的，生活中用起来还是不方便，还需要进一步细分。中华地区采取的是`时辰`加`刻`的记录方式，把一日划分为12个时辰，以12地支记录。1个时辰还是太长了，所以又出现了刻。一天的总刻数，出现过100、96、108、120等多种度量，直到清朝时最终确定为96刻，并恰好和西方的"Quarter"对应，1个时辰=8刻=2小时。 在后面的发展中，又对小时进行了细化，出现了分钟、秒，乃至毫秒和微秒等。

> 以上是一本正经的胡说八道。

## 三、计时系统, Timing System ##

### 1. 本地时间 ###

前面说道的日月年、时分秒都是一个时段，要很好的表示时间，方便交流沟通，必须有一个完善的计时系统。计时系统最重要的就是参考点，最明显的一个参考点，就是正午。正午，也就是一天之中太阳位于最高点的`时刻`。中国古代称之为`午时`，英语称之为`midday`，也就是一天的正中间。以正午为参考点，往前后各推12个小时，作为一天时间范围的度量。   
   
这种基于本地太阳升落制定的时间度量，称为`本地时, local time`。本地时很有用，它符合人类社会漫长发展过程中形成的时间观念，便于安排作息：在中国，辰时劳作，酉时归歇；在西方，9点上班，5点下班。   
   
本地时对当地的意义重大，对其他地区可能就毫无意义。地球是圆的，不同地区正午到达时刻相差可以很大。以上帝视角观察地球，会发现：你在正午的时候，我可能还要过2个小时才到正午，他可能是2个小时前刚刚过了正午。所以单纯的`正午`这个词没有任何意义，还必须说明：`xxx地区的正午`。

### 2. 标准时间 ###

早期受限于活动范围和运动速度，本地时的特点并不会对实际生活产生影响。18世纪随着铁路运输的发展，人类开始有能力长途快速旅行的时候，确立一个合理的计时方法就很有必要，这样才能指定沿铁路线统一的列车时刻表。   
   
最直观的方法，就是选取某个地区的本地时间作为标准时间（uniform standard time），大家都用它。比如新中国就统一使用北京时间作为参考。   
   
标准时间最大的作用：确立了一个`起点`，可以计算当前时刻距离该`起点`过去了多长`时间段`。时间是单调流逝的，从起点开始算起，流逝的天数总是不断增加，各地都完全一致。

## 四. 计时系统的变迁 ##

十九世纪，全球大规模交流发展起来之前，特别是电信系统诞生之前，远距离瞬时通信能力缺乏，一些比较强大的国家大都有一套自己的计时系统独立运作。其中一些国家的计时系统随着国力增强，全球影响力增加，逐步输出到世界其他地域，并最终成为全球范围的标准计时系统，

#### 1. GMT Timing System ####

英国选取了格林威治天文台的一条子午线作为基点，以格林威治区域平均太阳时作为航海运输的参照标准，这就是`Greenwich Mean Time(GMT)`。在天文台，有一个实实在在的时钟在运转，如下图。   
   
![1093141-20170123151643456-589980969.jpg][]  
   
**1884**年的Washington Meridian Conference上，GMT被选取作为国际计时标准。全球划分为24个`时区`，每个时区都以中心点的平均太阳时作为标准时钟时间（wall-clock time），相邻时区的时钟时间相差1小时。

![1093141-20170123151655081-1421824703.jpg][]

> 时区的作用：根据参考原点和当前时区，调整`挂钟时间`的显示。参考原点的时间是单调递增的，但某个具体地点的时区可以人为规定，`挂钟时间`也可人为调整。

### 2. Universal Time ###

**1935**年，国际天文联会建议使用Universal Time 替代Greenwich Mean Time，因为后者有多个版本：GMT民用时，从午夜开始作为0点，GMT天文时，从正午开始作为0点。   
   
**1955**年，国际天文联会基于Universal Time又定义了UT1和UT2三个系统，以消除极移和自转速率季节性变化的影响，原来的UT系统被称为UT0。

*  UT0系统即原始GMT民用时系统，由天文观测直接测定的世界时，未经任何改正，曾经得到过广泛应用
 *  UT1系统是在UT0的基础上加入了极移改正 Δλ，修正地轴摆动的影响。
 *  UT2系统是在UT1基础上加入了地球自转速率的季节性改正 ΔT

它们之间的关系可以表示为：

*  UT1 = UT0 + Δλ
 *  UT2 = UT1 + ΔT

目前应用最广泛的是**UT1**。UTx的基本单位是天，1天等分为24小时，每小时等分为60分，1分钟等分为60秒。**所以，UTx里面的`秒`，并不是基本单位**。   
   
**UTx系统1天=24小时=86400秒**

### 3. TAI Timing System ###

**1955**年，铯原子钟问世。

**1958**年，制订了一套新的基于原子钟的计时系统： International Atomic Time system, 国际原子时系统。它以 "1958-01-01 00:00:00" 做为起始点和 UT2 同步，能提供非常精确的计时服务。   
   
TAI的计时基元是秒，每天固定86400`秒`，这里的秒是物理学定义的国际单位制**`SI second`**:

> 铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间

** **

### 4. UTC Timing System ###

** **

**1960**年，Coordinated Universal Time 被国际电信联会提出。   
   
**1972**年，引入闰秒机制，形成了当前使用的UTC体系。简单的说，UTC是以TAI为基础的一种计时体系，它的计时单位是`TAI second`，但时刻上又和UT1接近，不会超过1秒的差异，可以理解为`Universal Time base on TAI, Coordinated with UT1`。这是当前普遍使用的计时系统。   
   
UT0/UT1/UT2和UTC的比较：

*  UTx是基于太阳时的计时体系，计时基元是`天`。时分秒是对天的切分。
 *  UTC是基于TAI的计时体系，计时基元是`TAI second`（base on TAI）
 *  UTC通过闰秒机制保证和UT1的基本同步（Coordinated with UT1）

与此对应，UT的`秒`是太阳日的`1/86400`，二者并不完全一致。所以，当TAI按照精确步调往前走的时候，UT1随着地球的自转变慢在逐渐减速，到目前为止，TAI已经领先了37秒左右。

![1093141-20170123162817237-1022045512.png][]

UTC和UT1同步，某一天可能会增加`1 TAI second`，这就是闰秒（Leap second）。下面是TAI1999年时，给UTC增加1闰秒的例子，此时最后1分钟有61秒而不是60秒。

###  5. 小结 ###

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>年份</td> 
   <td>计时系统</td> 
   <td>基本单位</td> 
   <td>注释</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1884</td> 
   <td>GMT</td> 
   <td>太阳日</td> 
   <td>1天=24小时=1440分=86400秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1955</td> 
   <td>UT1</td> 
   <td>太阳日</td> 
   <td>1天=24小时=1440分=86400秒</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1958</td> 
   <td>TAI</td> 
   <td>SI second</td> 
   <td>1天=86400 SI seconds</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1972</td> 
   <td>UTC</td> 
   <td>SI second</td> 
   <td>平时 1天=86400 SI seconds, 闰秒发生时 1天=86401 SI seconds</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 五、Unix time ###

Unix time是一个计时体系，度量从 UTC 时间 "1970-01-01 00:00:00 +0000" 开始流逝的秒数。但是，Unix time的数值不包含闰秒，所以它既不是对时间的线性度量，也不是UTC的一种合法表示。`date +%s`可以查看Unix-like系统的当前Unix time。   
   
因为Unix time是基于Unix epoch("1970-01-01 00:00:00 +0000")，所以又称为"epoch time"。   
   
Unix Time一般表示为有符号十进制数值， "1970-01-01 00:00:00 +0000"之前的时刻，是负值，例如：

> $ ./utc\_time "UTC+0" -86400   
> \-86400 1969-12-31 00:00:00 +0000

Unix time不包括闰秒，而UTC是有闰秒的，所以闰秒发生的时候，Unix time会发生`数值回退`现象。下面是1999年插入闰秒时的情形：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>TAI (1 January 1999)</td> 
   <td>UTC (31 December 1998 to&nbsp;<br> 1 January 1999)</td> 
   <td>Unix time</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:29.75</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:58.75</td> 
   <td>915 148 798.75</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:30.00</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:59.00</td> 
   <td>915 148 799.00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:30.25</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:59.25</td> 
   <td>915 148 799.25</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:30.50</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:59.50</td> 
   <td>915 148 799.50</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:30.75</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:59.75</td> 
   <td><strong>915 148 799.75</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:31.00</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:60.00</td> 
   <td><strong>915 148 800.00</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:31.25</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:60.25</td> 
   <td>915 148 800.25</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:31.50</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:60.50</td> 
   <td>915 148 800.50</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:31.75</td> 
   <td>1998-12-31T23:59:60.75</td> 
   <td><strong>915 148 800.75</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:32.00</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:00.00</td> 
   <td><strong>915 148 800.00</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:32.25</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:00.25</td> 
   <td>915 148 800.25</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:32.50</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:00.50</td> 
   <td>915 148 800.50</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:32.75</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:00.75</td> 
   <td>915 148 800.75</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:33.00</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:01.00</td> 
   <td>915 148 801.00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>1999-01-01T00:00:33.25</td> 
   <td>1999-01-01T00:00:01.25</td> 
   <td>915 148 801.25</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

> time()函数返回的是整数部分，观察不到小数部分的回退。

## 六、Linux 时区设置 ##

Linux 以TZ环境变量设定当前时区，通过在C/C++里面，通过setenv就可以设置，例如：

setenv("TZ", "EST+5EDT,M3.2.0/2,M11.1.0/2", 1);

TZ可以识别3种格式，前两种都是直接指定时区信息，最后一种是基于时区数据库。

### 1. 无夏令时格式 ###

> *std offset*

参数列表：

*  *std* 是标准时区名字，可以是3个字母以上的英文字母。
 *  *offset* 是一个时段数值，把它和本地时间相加，可以得到UTC时间。格式 `[+|-]hh[:mm[:ss]]`。它的符号是当前时区的符号相反：   
    
    
     *  当前时区为 GMT+hh:mm:ss，则 *offset=-hh:mm:ss*
     *  当前时区为 GMT-hh:mm:ss，则 *offset=+hh:mm:ss*

下面是几个合法的时区字符串

*  UTC+0 : 格林威治本地时间
 *  UTC-08 : 重庆时间
 *  ABCDE+5 : 美东时间
 *  TEST+24
 *  TEST+10:20:30

### 2. 夏令时格式 ###

> *std offset1 dst \[offset2\],start\[/time\],end\[/time\]*

参数列表：

*  *std* : 是标准时区名字，可以是3个字母以上的英文字母
 *  *offset1* : 时区偏移
 *  *dst* : 是实施夏令时的时区名字
 *  *offset2* : 是夏令时生效时的偏移，默认情况下 *offset2=offset1-1hour*
 *  *start/end* : 本地时间何时进入和退出夏令，格式：`Mm.w.d`，第m个月的第w周的第d天。   
    
    
     *  d : 0(周日)-6
     *  w : 1-5, 1是第1周，5的意思是d=该月最后一周的时间（下面有例子）
     *  m : 1-12
 *  time : 本地时间进入/退出夏令时的时刻，默认 time=02:00:00

下面是一些合法的夏令时串：

1.  ``1. `EST+5EDT,M3.2.0/2,M11.1.0/2` ``
2.  `美国纽约时间，从每年3月份的第2个周日开始，到当年11月份的第1个周日，从凌晨2点开始变更`
3.  ``2. `WGT3WGST,M3.5.0/-2,M10.5.0/-1` ``

### 3. 指明时区配置文件 ###

> *:characters*

characters是本地文件路径，例如 :

setenv("TZ", ":/usr/share/zoneinfo/US/Eastern", 1);

## 七、夏令时 ##

夏时制，另译夏令时间（英语：Summer time），又称日光节约时制、日光节约时间（英语：Daylight saving time），是一种为节约能源而 **人为规定地方时间** 的制度，在这一制度实行期间所采用的统一时间称为“夏令时间”。一般在天亮较早的夏季人为将时间调快一小时，可以使人早起早睡，减少照明量，以充分利用光照资源，从而节约照明用电。各个采纳夏时制的国家具体规定不同。

美国国会2005年通过的能源法案，自2007年起，夏时制开始日期为3月的第二个星期日，结束日期为11月的第一个星期日。美国夏时制实行与否，完全由各州各郡自己决定。   
   
下面演示一个进入和退出夏时制的例子。

美国纽约时间2016年夏令时起止点
    
    2016-03-13 01:59:59 (+1s) 开始 1457852399/1457852400
    2016-11-06 01:59:59 (+1s) 结束 1478411999/1478412000
    
    $ ./utc_time :/usr/share/zoneinfo/US/Eastern 1457852399
    1457852399 2016-03-13 01:59:59 -0500
    
    $ ./utc_time :/usr/share/zoneinfo/US/Eastern 1457852400
    1457852400 2016-03-13 03:00:00 -0400
    
    $ ./utc_time :/usr/share/zoneinfo/US/Eastern 1478411999
    1478411999 2016-11-06 01:59:59 -0400
    
    $ ./utc_time :/usr/share/zoneinfo/US/Eastern 1478412000
    1478412000 2016-11-06 01:00:00 -0500
    注意，如果这是一个普通挂钟的话，指向凌晨2点时，要把时针回拨1个小时。

![1093141-20170123151708722-1656673284.jpg][]

代码片段：

setenv("TZ", argv[1], 1);
    time_t tt = (time_t)strtoll(argv[2], 0, 0);
    struct tm *ptm = localtime(&tt);
    strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S %z", ptm);

## 参考资料 ##

*  https://en.wikipedia.org/wiki/Greenwich\_Mean\_Time
 *  https://en.wikipedia.org/wiki/Universal\_Time
 *  https://en.wikipedia.org/wiki/International\_Atomic\_Time
 *  https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinated\_Universal\_Time
 *  http://www.hko.gov.hk/gts/time/basicterms-UTandGMTc.htm
 *  https://www.timeanddate.com/time/time-zones-history.html
 *  https://en.wikipedia.org/wiki/Unix\_time
 *  https://www.timeanddate.com/time/international-atomic-time.html
 *  https://zh.wikipedia.org/wiki/秒
 *  https://www.gnu.org/software/libc/manual/html\_node/TZ-Variable.html

[1093141-20170123151643456-589980969.jpg]: /images/20220711/348d735ce07b4eba97c2de5b1c36fdd4.png
[1093141-20170123151655081-1421824703.jpg]: /images/20220711/e16a9d440d5d46be97c0d81c92e38d45.png
[1093141-20170123162817237-1022045512.png]: /images/20220711/3abaaf4ff4f542ed9f3d5019c2ef96a0.png
[1093141-20170123151708722-1656673284.jpg]: /images/20220711/6a5c492c4d074ccc8570b11ed1306344.png