计算机时间到底是怎么来的？程序员必看的时间知识！

这个方案非常棒，至此终于解决了秒不固定长的问题。

那有了这个国际原子时，可否让它直接取代掉前面说的——以天文现象计时的「世界时」呢？

答案是否定的，这个问题远比想象的复杂得多，这是为什么呢？

世界标准时间是怎么来的？

现在，科学家制定出了两套时间标准：

世界时：基于天文现象 + 钟表计时，永远与地球自转时间相匹配

国际原子时：基于原子钟计时，每一秒的周期完全等长且固定

假设我们以国际原子时为时间标准，那会发生什么现象呢？

因为原子时非常稳定，但世界时随着地球自转变慢，会越来越慢电脑时间不能修改，就会发生这种现象：

晚上 8 点是太阳高照的时刻，你能想象这种情况吗？

这太颠覆我们的生活认知了...

基于天文测算的世界时，已经指导我们人类生活了上千年，人类早已习惯了这种时间标准，直接被原子时取代，肯定是不能接受的。

但我们又需要原子时这种高度稳定的计时标准，来发展科学研究，两者发生矛盾，这怎么办？

科学家们又开始思考，终于想到一个互相兼容的解决方案。

既然两套时间标准都很重要，那两者都保留，不会互相取代。

我们可以再建立一套「新的时间标准」，这套时间以「原子时为基准」，开始计时电脑时间不能修改，走的每一秒都是稳定、精确的。

同时，为了兼顾基于天文测量的世界时，人类会「持续观测」世界时与这个新时钟的差距。

如果发现两者相差过大时，我们就「人为」地调整一下这个时钟（加一秒或减一秒），让两者相差不超过 0.9 秒。

例如，这个时钟本身比世界时走得快，经过一段时间后，如果发现两者相差越来越大，那就给这个时钟「加一秒」，让这个时钟在 23:59:59 的下一秒变为 23:59:60 秒，让它与世界时差距控制在 0.9 秒以内，这个操作过程，相当于让快的时钟稍微「等」一下走得慢的世界时。

而加的这一秒，科学家把它定义为「闰秒」。

是不是挺有意思？听说过闰年，没想到还有闰秒！

当然，当地球自转速度变快时，这里也有可能是减一秒，即从 23:59:58 直接跳到 00:00:00。但这种情况比较少，大部分情况下，地球自转速度是越来越慢的。

这么做的好处在于，这个时钟的每一秒的计时依旧是精确的，而且还兼顾了日常生活使用的世界时，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）。

看到了么？我们在开发时经常看到的 UTC，原来是这样来的！

有了这个研究成果，有技术能力的国家都纷纷制造自己的原子钟，然后计算协调世界时。

同时，为了进一步降低原子钟的测量误差，每个国家会在每个月，统一上报自己计算的世界协调时到一个权威机构，然后这个权威机构会根据各国实验室的精度，进行加权计算，算出「最终」的协调世界时。

之后，再把这个最终的时间下发到各个国家，让各个国家进行「对表」校准，保证全世界的时间误差在/以内。

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」！

值得一提的是，配合计算世界协调时的国家，也有中国，这个实验室就是「中国科学院国家授时中心」，它位于中国的陕西省渭南市蒲城县，持续维护中国的标准时间。

为什么国家授时中心会设立在陕西省？因为陕西省的地理位置处于中国的中部，从这个位置向各地广播时间时，对全国每个地区距离都是相对平均的。

之后，中国会在自己算出的世界协调时的基础上，再加 8 个小时（中国在东八区），最终得出来的时间，就是「北 京 时 间」！

没错，就是我们经常在新闻播报上听到的，北京时间。

是不是挺有意思？北京时间并不是在北京产生的，而是在陕西省，并与参与世界时间的制定和校准。

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。

有了标准时间，那么接下来的问题就是，这个标准时间到底是如何同步到我们的电脑、手机、电子设备上的呢？

这就是下面要讲的「授时」。

计算机如何同步时间？

到现在我们知道，世界标准时间和北京时间是怎么来的，但北京时间的产生是在陕西省，难道校准一次时间需要跑到这里吗？

很显然是不需要的。

位于陕西省的中国科学院国家授时中心，产生北京时间后，会通过一系列方式，把这个时间广播出去，这个过程，就叫做「授时」。

具体怎么做呢？

国家授时中心提供很多授时方式，例如无线电波、网络、电话，都可以把时间广播出去。

通常来说，无线电波的传播速度更快、传播误差小，所以授时中心会通过这种方式，把时间发送给全国各地的「时间服务器」。

时间服务器有了准确的时间后，再通过其它方式（例如网络）广播到下一层的终端用户使用。

经过这么一番研究，到这里我们就可以解释文章开头的问题了。

一个时间服务器，原来是通过国家授时中心同步时间，然后再给其它终端提供时间同步服务的。

那我们的计算机如何和它保持同步呢？

你可能会想，最简单的方式就是，客户端向服务端「请求获取」标准时间，服务端响应时间数据，客户端修改自己的「本机时间」即可。

但事情没你想的这么简单。

因为数据在网络传输过程中，也是需要时间的，这个时间也会影响到时间的准确性。

这怎么办呢？

于是人们想了一种方案，当计算机在做时间校准时，也需要把网络延迟计算进去，最后「修正」这个同步过来的时间，降低误差。

现在，已经有个软件已经把这一切都做好了，如果你了解一些运维相关的工作，就会知道，我们部署应用程序的服务器上，都会启动一个「自动校准」时间的服务，这个服务就是 NTP（Network Time Protocol），它可以保证每台机器的时间与时间服务器保持同步。

那 NTP 是怎么同步服务器时间的呢？

这里就涉及到 2 个重点：

NTP 如何同步时间？

同步时间时，对正在运行的程序有没有影响？

先来看第一个问题：NTP 如何同步时间？

简单来讲，它是通过在网络报文上打「时间戳」的方式，然后配合计算网络延迟，从而修正本机的时间。

根据图示可以计算出网络「传输延迟」，以及客户端与服务端的「时间差」：

这个计算过程假设网络来回路径是对称的，并且时延相同。

这样一来，客户端就可以「校准」自己的本机时间了，与服务端保持同步，这个时间误差在广域网下是 10ms - 500ms，在局域网下通常可以小于 1ms。

再来看第二个问题：同步时间时，对正在运行的程序有没有影响？

例如，我们很多时候写的程序代码是这样的：

t1 = time.now()// 时间发生校准t2 = time.now()
// t2比t1小怎么办？elapsed = t2 - t1

t2 的时间真的会比 t1 小吗？
这里就牵涉出 2 个概念：墙上时钟、单调时钟，它们之间有什么区别呢？
一般我们写的代码，像上面程序调用的「时间 API」，通常获取的时间是墙上时钟，所以，如果时间发生校准，就可能会发生「时光倒流」的情况。
这必然对程序产生很大的影响，怎么解决这个问题呢？
幸运的是，NTP 在校准时间时，提供了 2 种方式：
ntpdate：一切以服务端时间为准，「强制修改」本机时间
ntpd：采用「润物细无声」的方式修改本机时间，把时间差均摊到每次小的调整上
也就是说，ntpd 当接收到需要「回拨」的时间时，会让本机时间走得「慢」一点，小步调整，逐渐与服务端的时钟「对齐」，这样一来，本机时间依旧是递增的，避免发生「倒流」。
当我们在配置 ntp 服务时，需要格外注意这种情况。另外，在编写程序时，也要注意调用的时间 API 获取的是哪个时间，避免业务逻辑发生异常。
至此，我们从看似简单的时间问题，一步步深挖到时间的定义，再到时间是如何同步到计算机和终端设备的，怎么样，有没有解答了你心中的很多疑惑？
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」。
我们在写代码时，看似调用了一个简单的时间 API，可曾想过，背后却是人类多少年来的智慧结晶。希望这篇文章能解答你对时间的种种疑惑。
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