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大家好，這篇文章我想和你聊一聊「時間」這個話題。

時間總是在不經(jīng)意間流逝，我們在寫代碼時，也經(jīng)常會調(diào)用「時間 API」，你有思考過這背后的原理嗎？

關(guān)于時間的問題還有很多，例如：

• 為什么計算機的時間有時候「走不準」？
• 計算機究竟是怎么「自動校準」時間的？
• 我們經(jīng)常看到的 UTC 時間，到底是什么？
• 我們在新聞上看到的「北京時間」，真的來自北京嗎？

這篇文章，我們就來揭秘時間背后的秘密。

這篇文章非常有意思，希望你可以耐心讀完。

時間為什么總是走“不準”？

你肯定遇到過這樣的場景，家里買了一個鐘表，時間一長，就會發(fā)現(xiàn)它走得「不準」了。

又或者，一臺長時間不使用的電腦，它的時間也會發(fā)生偏差。

遇到這些情況，你可能會不以為然。時間不準，那我們就「人工」調(diào)準它。

但你有沒有停下來想一想，為什么它們的時間會越走越不準呢？

要回答這個問題其實不難，我們只需要搞清楚，它們的時間是怎么來的。

鐘表和計算機內(nèi)部都有一個叫做「晶體振蕩器」的東西，給它加上電壓，它就會以固定的頻率振動。但這個振動頻率的「穩(wěn)定性」，取決于它的制造工藝，以及外界環(huán)境的影響。

出于成本的考慮，鐘表的制作工藝沒那么高，所以它更容易有誤差。而電腦制造工藝雖然比較高，但它內(nèi)部的晶體振蕩器也會受到「溫度」變化帶來的影響，在工作過程中，也會有產(chǎn)生誤差。

雖然它們的誤差很小，但日積月累下來，誤差就越來越明顯。

因此，我們現(xiàn)在使用的計算機，都有「自動校準」時間的功能。但是如何校準呢？

如何校準時間？

很簡單，只要你把電腦連上了「網(wǎng)絡(luò)」，你會發(fā)現(xiàn)，它會自動與「網(wǎng)絡(luò)時間」保持同步。

可問題是，這個「網(wǎng)絡(luò)時間」哪兒來的？

我猜你大腦的第一反應是，每臺電腦肯定配置了一個「時間服務(wù)器」，之后這臺電腦會與服務(wù)器定時同步，自動校準。

沒錯，確實是這樣，不光是電腦，我們平時使用的手機、平板、智能手表等電子設(shè)備，只要能連接網(wǎng)絡(luò)，都會自動同步網(wǎng)絡(luò)時間。

那繼續(xù)追問，這個「時間服務(wù)器」的時間就一定是準的嗎？

理論來講，它應該也是一臺計算機，難道它不會遇到我們前面說的問題嗎？

此外，這個網(wǎng)絡(luò)時間究竟是怎么「同步」到我們的電腦上的？

你可能會說，那肯定是通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

問題又來了，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)也是有「延遲」的，同步服務(wù)器時間，不還是存在誤差嗎？

環(huán)環(huán)相扣，像一個俄羅斯套娃，很難解釋清楚。

要想徹底搞清楚這些問題，就要深入到時間的「源頭」來尋找答案。

時間是怎么來的？

時間是一個非常抽象的概念，多少年來，吸引著無數(shù)科學家、物理學家、甚至哲學家花費畢生精力去解釋時間的本質(zhì)是什么，從宇宙大爆炸到時空相對論，從黑洞到量子力學，都能看到關(guān)于時間這個問題的身影。

這里我們不探討高深莫測的學術(shù)知識，只把目光放聚焦在計算機這個很小的范疇內(nèi)。但要想清楚解釋這個問題，也并非想的那么簡單。

我們從最簡單的開始說起。

想要知道時間是怎么被定義的，首先要知道「天」是怎么來的？

答案是：觀察太陽。

由于地球的「自轉(zhuǎn)」，人們可以看到日出日落，人們?nèi)粘龆?，日落而息，所以就把這一周期現(xiàn)象定義為「天」。

地球除了自轉(zhuǎn)，還在圍繞太陽公轉(zhuǎn)，所以公轉(zhuǎn)一周就被定義為一「年」。

從這些現(xiàn)象就能看出來，很早之前的人們，是以「天文現(xiàn)象」來確定時間的。

再后來，人們?yōu)榱税褧r間定義得更「精確」，就把一天平均劃分為 24 等份，這就是「時」。

同樣地，把 1 小時劃分 60「分鐘」，1 分鐘劃分為 60「秒」。

這樣，時間的基本單位「秒」就被定義出來了。

所以，秒與天的關(guān)系就是這樣的：

1 秒 = 1 / 24 * 60 * 60 = 1 / 86400 天。

這些定義，都與「地球自轉(zhuǎn)」和「太陽」息息相關(guān)。

但是，后來人們發(fā)現(xiàn)，地球的公轉(zhuǎn)軌道并不是一個正圓，而是一個「橢圓」，也就是說公轉(zhuǎn)速度是「不均勻」的，這意味著什么呢？

這意味著每天的時間不是等長的，那根據(jù)天推算出的秒，自然也不是「等長」的。

很明顯，這里的計算存在誤差。這怎么辦？

聰明的人們就想到，把一年內(nèi)所有天的時長加起來，然后求「平均」，得到相對固定的「天」，然后再計算得出「相對平均」的秒，這樣就減小了誤差。

確定了天文規(guī)律，人們開始制造「鐘表」，把時間表示出來。

從擺鐘到機械鐘，再到現(xiàn)代廣泛使用的石英鐘，鐘表的制作工藝越來越高，時間精度也越來越高，現(xiàn)代石英鐘每天的計時誤差只有「千分之一秒」。

所以，在 1927 年，人們以基于「天文現(xiàn)象」 「鐘表計時」，確立了第一套時間標準：世界時（Universal Time，簡稱 UT）。

但是，隨著科技的發(fā)展，人類對太陽的觀測越來越精準，有意思的事情發(fā)生了。

人們發(fā)現(xiàn)，地球每天的自轉(zhuǎn)速度也「不是勻速」的，地球的自轉(zhuǎn)受到潮汐、地殼運動、冰川融化、地震等自然現(xiàn)象的影響，越來越慢！

這會導致什么問題呢？

這會導致之前規(guī)定的，每年平均下來一天的時間，現(xiàn)在來看，也是不一樣長的。

例如，第 1 年算出來平均一天的時間是 23.9997 小時，第 2 年可能是 23.998 小時，第 3 年可能是 23.999 小時...

那按照 1 秒 = 1 / 86400 天的定義，每一年的「秒」，也是不一樣長的。

這就比較尷尬了，人們以地球自轉(zhuǎn)為依據(jù)，定義出來的時間，還是不準！

你可能會想，時間有誤差會有什么問題嗎？人們依賴不準確的天文現(xiàn)象，不也生活了幾個世紀么？

確實，對于人們的基本生活影響其實并不大。但隨著人類活動的發(fā)展，人們對于高精度的時間場景開始變得越來越多。

例如，體育賽事中百分之一秒的差距就能決定勝負，炮彈的發(fā)射要精確在千分之一秒內(nèi)發(fā)生，雷達技術(shù)甚至需要精確到百萬分之一秒...

尤其是衛(wèi)星發(fā)射、火箭試驗等航天領(lǐng)域，對高精度的時間系統(tǒng)也提出了越來越高的要求！

怎么辦？怎么徹底解決時間不準的問題？

聰明的科學家們開始思考，既然觀測天文現(xiàn)象無法解決這個問題，那在微觀層面能否找到比較好的解決方案嗎？

這時，他們開始把目光投向了「微觀世界」。

一秒到底有多長？

讓我們梳理一下我們的需求。

一直以來，我們對于「秒」的定義需求，從本質(zhì)上講，就是想要一個「完全穩(wěn)定」的周期，也就是說，期望每一秒都是固定「等長」的。

而以天文觀測、地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間測量，做不到這一點。

那在微觀世界層面，是否存在一種元素，它的運動周期是「高度穩(wěn)定」，不受外界環(huán)境影響的呢？

科學家們沿著這個思路開始探索...

好，現(xiàn)在讓我們把視角下放，來到原子世界。

一個原子雖然很小，但它內(nèi)部卻是一個很復雜的世界。

每個原子都有一個原子核，核外分層排布著高速運轉(zhuǎn)的電子，當原子受電磁輻射時，它的軌道電子可以從一個位置「跳」到另一個位置，物理學上稱此為「躍遷」。

人們發(fā)現(xiàn)，原子內(nèi)的電子發(fā)生躍遷時，原子會吸收或放出一定能量的「電磁波」，這類電磁波就是一種「周期運動」，我們也可以把它看成原子內(nèi)部的「振蕩」。

基于這個原理，科學家們開始不斷地試驗、研究，嘗試尋找一種運動「周期短、高度穩(wěn)定」的原子。

終于，科學家們發(fā)現(xiàn)確實存在這樣一種原子：銫原子，它內(nèi)部的振蕩周期比其它原子都要更短、更穩(wěn)定，而且，這個過程基本不受環(huán)境因素的干擾。

經(jīng)過層層試驗，科學家們認為這是目前人類在地球上可測量到的，運動周期最短、周期最穩(wěn)定的元素！

之后，科學家們就以之前定義的「秒」為基礎(chǔ)，去測量一秒內(nèi)這個銫原子內(nèi)部電子周期運動的「次數(shù)」，測量出來的結(jié)果為 9192631770 次（91 億 次）。

基于此，科學家們決定「拋棄」原來基于天文測量的秒，重新定義「秒」的時長，就是這個高度穩(wěn)定的運動周期。

因此，在 1967 年，國際度量衡大會決定采用，以銫原子躍遷 9192631770 個周期，所持續(xù)的時間長度定義為 1 秒！

注：這個測量原理和測量過程比較復雜，這里把這些物理細節(jié)簡化了。不用太過糾結(jié)這個數(shù)值是怎么測量出來的，你只需要理解，這個微觀原子內(nèi)部的振蕩周期是非常穩(wěn)定的，它比之前根據(jù)天文現(xiàn)象測量出來的秒，要精確多得多。

而基于這個銫原子振蕩制造出來的時鐘，我們就把它稱之為「原子鐘」。

有了原子鐘，這就意味著，原子鐘輸出的每一秒，都是絕對「等長」的，非常穩(wěn)定，這樣一來，就實現(xiàn)了「精準計時」！

這個精確程度可以達到多高呢？

2000 萬年不差 1 秒！可見其精準程度之高。

科研技術(shù)還在發(fā)展，精密設(shè)備和測量能力也越來越高，最新的原子鐘甚至可以達到 1 億年不差 1 秒！

有了原子鐘，人們基于原子鐘又確立了一套新的時間標準，叫做「國際原子時」（International Atomic Time，簡稱 TAI）。

科學家們規(guī)定，從 1958-01-01 00:00:00 起，用原子時開始計時，它每走的一秒，都是非常精確的一秒（固定等長），實打?qū)嵉囊幻?，完全穩(wěn)定的一秒。

這個方案非常棒，至此終于解決了秒不固定長的問題。

那有了這個國際原子時，可否讓它直接取代掉前面說的——以天文現(xiàn)象計時的「世界時」呢？

答案是否定的，這個問題遠比想象的復雜得多，這是為什么呢？

世界標準時間是怎么來的？

現(xiàn)在，科學家制定出了兩套時間標準：

1. 世界時：基于天文現(xiàn)象 鐘表計時，永遠與地球自轉(zhuǎn)時間相匹配
2. 國際原子時：基于原子鐘計時，每一秒的周期完全等長且固定

假設(shè)我們以國際原子時為時間標準，那會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

因為原子時非常穩(wěn)定，但世界時隨著地球自轉(zhuǎn)變慢，會越來越慢，就會發(fā)生這種現(xiàn)象：

• 原子時走得快，世界時走得慢，時間越久，兩者差距越來越大
• 日復一日，幾百年后，世界時的正午 12 點是太陽高照的時刻，而原子時可能已經(jīng)走到了下午 2 點了
• 幾千年后，太陽高照的時刻，原子時可能已經(jīng)走到了晚上 8 點！

晚上 8 點是太陽高照的時刻，你能想象這種情況嗎？

這太顛覆我們的生活認知了...

基于天文測算的世界時，已經(jīng)指導我們?nèi)祟惿盍松锨辏祟愒缫蚜晳T了這種時間標準，直接被原子時取代，肯定是不能接受的。

但我們又需要原子時這種高度穩(wěn)定的計時標準，來發(fā)展科學研究，兩者發(fā)生矛盾，這怎么辦？

科學家們又開始思考，終于想到一個互相兼容的解決方案。

既然兩套時間標準都很重要，那兩者都保留，不會互相取代。

我們可以再建立一套「新的時間標準」，這套時間以「原子時為基準」，開始計時，走的每一秒都是穩(wěn)定、精確的。

同時，為了兼顧基于天文測量的世界時，人類會「持續(xù)觀測」世界時與這個新時鐘的差距。

如果發(fā)現(xiàn)兩者相差過大時，我們就「人為」地調(diào)整一下這個時鐘（加一秒或減一秒），讓兩者相差不超過 0.9 秒。

例如，這個時鐘本身比世界時走得快，經(jīng)過一段時間后，如果發(fā)現(xiàn)兩者相差越來越大，那就給這個時鐘「加一秒」，讓這個時鐘在 23:59:59 的下一秒變?yōu)?23:59:60 秒，讓它與世界時差距控制在 0.9 秒以內(nèi)，這個操作過程，相當于讓快的時鐘稍微「等」一下走得慢的世界時。

而加的這一秒，科學家把它定義為「閏秒」。

是不是挺有意思？聽說過閏年，沒想到還有閏秒！

當然，當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度變快時，這里也有可能是減一秒，即從 23:59:58 直接跳到 00:00:00。但這種情況比較少，大部分情況下，地球自轉(zhuǎn)速度是越來越慢的。

這么做的好處在于，這個時鐘的每一秒的計時依舊是精確的，而且還兼顧了日常生活使用的世界時，一舉兩得！

由于這個時鐘是基于原子時 世界時「協(xié)調(diào)」得出的，所以科學家們把它定義為協(xié)調(diào)世界時（Coordinated Universal Time，簡稱 UTC）。

看到了么？我們在開發(fā)時經(jīng)常看到的 UTC，原來是這樣來的！

有了這個研究成果，有技術(shù)能力的國家都紛紛制造自己的原子鐘，然后計算協(xié)調(diào)世界時。

同時，為了進一步降低原子鐘的測量誤差，每個國家會在每個月，統(tǒng)一上報自己計算的世界協(xié)調(diào)時到一個權(quán)威機構(gòu)，然后這個權(quán)威機構(gòu)會根據(jù)各國實驗室的精度，進行加權(quán)計算，算出「最終」的協(xié)調(diào)世界時。

之后，再把這個最終的時間下發(fā)到各個國家，讓各個國家進行「對表」校準，保證全世界的時間誤差在 100 納秒以內(nèi)。

至此，科學家們建立的這套時間標準，就是我們現(xiàn)在沿用至今的「標 準 時 間」！

值得一提的是，配合計算世界協(xié)調(diào)時的國家，也有中國，這個實驗室就是「中國科學院國家授時中心」，它位于中國的陜西省渭南市蒲城縣，持續(xù)維護中國的標準時間。

為什么國家授時中心會設(shè)立在陜西?。恳驗殛兾魇〉牡乩砦恢锰幱谥袊闹胁?，從這個位置向各地廣播時間時，對全國每個地區(qū)距離都是相對平均的。

之后，中國會在自己算出的世界協(xié)調(diào)時的基礎(chǔ)上，再加 8 個小時（中國在東八區(qū)），最終得出來的時間，就是「北 京 時 間」！

沒錯，就是我們經(jīng)常在新聞播報上聽到的，北京時間。

是不是挺有意思？北京時間并不是在北京產(chǎn)生的，而是在陜西省，并與參與世界時間的制定和校準。

至此，全新的世界標準時間確立了，這套時間標準于 1972 年正式確定，一致沿用至今。

有了標準時間，那么接下來的問題就是，這個標準時間到底是如何同步到我們的電腦、手機、電子設(shè)備上的呢？

這就是下面要講的「授時」。

計算機如何同步時間？

到現(xiàn)在我們知道，世界標準時間和北京時間是怎么來的，但北京時間的產(chǎn)生是在陜西省，難道校準一次時間需要跑到這里嗎？

很顯然是不需要的。

位于陜西省的中國科學院國家授時中心，產(chǎn)生北京時間后，會通過一系列方式，把這個時間廣播出去，這個過程，就叫做「授時」。

具體怎么做呢？

國家授時中心提供很多授時方式，例如無線電波、網(wǎng)絡(luò)、電話，都可以把時間廣播出去。

通常來說，無線電波的傳播速度更快、傳播誤差小，所以授時中心會通過這種方式，把時間發(fā)送給全國各地的「時間服務(wù)器」。

時間服務(wù)器有了準確的時間后，再通過其它方式（例如網(wǎng)絡(luò)）廣播到下一層的終端用戶使用。

經(jīng)過這么一番研究，到這里我們就可以解釋文章開頭的問題了。

一個時間服務(wù)器，原來是通過國家授時中心同步時間，然后再給其它終端提供時間同步服務(wù)的。

那我們的計算機如何和它保持同步呢？

你可能會想，最簡單的方式就是，客戶端向服務(wù)端「請求獲取」標準時間，服務(wù)端響應時間數(shù)據(jù)，客戶端修改自己的「本機時間」即可。

但事情沒你想的這么簡單。

因為數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，也是需要時間的，這個時間也會影響到時間的準確性。

這怎么辦呢？

于是人們想了一種方案，當計算機在做時間校準時，也需要把網(wǎng)絡(luò)延遲計算進去，最后「修正」這個同步過來的時間，降低誤差。

現(xiàn)在，已經(jīng)有個軟件已經(jīng)把這一切都做好了，如果你了解一些運維相關(guān)的工作，就會知道，我們部署應用程序的服務(wù)器上，都會啟動一個「自動校準」時間的服務(wù)，這個服務(wù)就是 NTP（Network Time Protocol），它可以保證每臺機器的時間與時間服務(wù)器保持同步。

那 NTP 是怎么同步服務(wù)器時間的呢？

這里就涉及到 2 個重點：

1. NTP 如何同步時間？
2. 同步時間時，對正在運行的程序有沒有影響？

先來看第一個問題：NTP 如何同步時間？

簡單來講，它是通過在網(wǎng)絡(luò)報文上打「時間戳」的方式，然后配合計算網(wǎng)絡(luò)延遲，從而修正本機的時間。

根據(jù)圖示可以計算出網(wǎng)絡(luò)「傳輸延遲」，以及客戶端與服務(wù)端的「時間差」：

• 網(wǎng)絡(luò)延時 = (t4 - t1) - (t3 - t2)
• 時間差 = t2 - t1 - 網(wǎng)絡(luò)延時 / 2 = ((t2 - t1) (t3 - t4)) / 2

這個計算過程假設(shè)網(wǎng)絡(luò)來回路徑是對稱的，并且時延相同。

這樣一來，客戶端就可以「校準」自己的本機時間了，與服務(wù)端保持同步，這個時間誤差在廣域網(wǎng)下是 10ms - 500ms，在局域網(wǎng)下通?？梢孕∮?1ms。

再來看第二個問題：同步時間時，對正在運行的程序有沒有影響？

例如，我們很多時候?qū)懙某绦虼a是這樣的：

t1?=?time.now()
//?時間發(fā)生校準
t2?=?time.now()

// t2比t1小怎么辦？
elapsed?=?t2?-?t1
t2 的時間真的會比 t1 小嗎？

這里就牽涉出 2 個概念：墻上時鐘、單調(diào)時鐘，它們之間有什么區(qū)別呢？

• 墻上時鐘：通常就是指前面講到的世界協(xié)調(diào)時 UTC，校準時間后，可能發(fā)生回撥
• 單調(diào)時鐘：計算機自啟動以后經(jīng)歷的納秒數(shù)，不會回撥

一般我們寫的代碼，像上面程序調(diào)用的「時間 API」，通常獲取的時間是墻上時鐘，所以，如果時間發(fā)生校準，就可能會發(fā)生「時光倒流」的情況。

這必然對程序產(chǎn)生很大的影響，怎么解決這個問題呢？

幸運的是，NTP 在校準時間時，提供了 2 種方式：

1. ntpdate：一切以服務(wù)端時間為準，「強制修改」本機時間
2. ntpd：采用「潤物細無聲」的方式修改本機時間，把時間差均攤到每次小的調(diào)整上

也就是說，ntpd 當接收到需要「回撥」的時間時，會讓本機時間走得「慢」一點，小步調(diào)整，逐漸與服務(wù)端的時鐘「對齊」，這樣一來，本機時間依舊是遞增的，避免發(fā)生「倒流」。

當我們在配置 ntp 服務(wù)時，需要格外注意這種情況。另外，在編寫程序時，也要注意調(diào)用的時間 API 獲取的是哪個時間，避免業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生異常。

至此，我們從看似簡單的時間問題，一步步深挖到時間的定義，再到時間是如何同步到計算機和終端設(shè)備的，怎么樣，有沒有解答了你心中的很多疑惑？

總結(jié)

好了，總結(jié)一下。

這篇文章我們講了非常多的概念，這里我們再重新梳理一遍。

1、人類的早期生活，依靠觀測「天文現(xiàn)象」來測量時間，基于地球自轉(zhuǎn)規(guī)律，定義了一套時間標準：「世界時」。

2、后來人們發(fā)現(xiàn)，由于地球公轉(zhuǎn)軌道是一個橢圓，并且地球自轉(zhuǎn)還受到地球內(nèi)部的影響，自轉(zhuǎn)速度越來越慢，人們發(fā)現(xiàn)世界時測算出的時間「不準」。

3、科學家們開始從「微觀世界」尋找更穩(wěn)定的周期運動，最終確定以「銫原子」的振動頻率為基準，制造出了「原子鐘」，確立了「世界原子時」，并重新定義了「秒」長度，時長高度精確。

4、但由于人類社會活動已高度依賴「世界時」，所以科學家們基于「原子時」和「世界時」，最終確立出新的時間標準：「世界協(xié)調(diào)時」，把它定義成了全球的時間標準，至此，世界標準時間誕生。

5、中國基于「世界協(xié)調(diào)時」再加上 8 小時時區(qū)之差，確立了「北京時間」，并廣播給整個中國大地使用。

6、「國家授時中心」把北京時間廣播給全國的「時間服務(wù)器」，我們生活中使用的時間，例如計算機，就是通過時間服務(wù)器自動同步校準的。

7、計算機通過 NTP 完成和時間服務(wù)器的「自動校準」，我們的應用程序基于此，才得以獲取到準確的時間。

8、NTP 服務(wù)應該采用潤物細無聲的方式同步時間，避免時間發(fā)生「倒流」。

后記

這篇文章是我有史以來，最難寫的一篇，因為其中有大量科普類知識，涉及范圍之廣遠超我的想象。

在寫這篇文章時，我至少閱讀了 30 篇以上的資料，很多時候會因為一個很小的細節(jié)，又深挖出更多相關(guān)的領(lǐng)域的知識，讓我目不暇接。

例如，銫原子的振動頻率是怎么測量的？為什么能測量得這么精確？各個國家的原子鐘為什么會有差異？計算機是如何處理閏秒的？時區(qū)是怎么來的？本初子午線是什么？...

很多細節(jié)我其實并沒有展開來講，我已盡力避開講那些晦澀難懂的物理知識，只保留了重要的理論概念，希望你理解了這其中的原理。如果有些細節(jié)你沒有讀懂，可以先嘗試多讀幾遍，也可以與我進一步交流。

同時，在查閱資料過程中，真切地感嘆人類研究成果之偉大，能把時間的誤差，縮小到幾億年的精度，敬佩之情無以言表。

我們在寫代碼時，看似調(diào)用了一個簡單的時間 API，可曾想過，背后卻是人類多少年來的智慧結(jié)晶。希望這篇文章能解答你對時間的種種疑惑。

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