計算機時間到底是怎麼來的？程序員必看的時間知識！

大家好，我是 Kaito。

這篇文章我想和你聊一聊「時間」這個話題。

時間總是在不經意間流逝，我們在寫代碼時，也經常會調用「時間 API」，你有思考過這背後的原理嗎？

關於時間的問題還有很多，例如：

這篇文章，我們就來揭祕時間背後的祕密。

這篇文章非常有意思，希望你可以耐心讀完。

時間爲什麼總是走 “不準”？

你肯定遇到過這樣的場景，家裏買了一個鐘錶，時間一長，就會發現它走得「不準」了。

又或者，一臺長時間不使用的電腦，它的時間也會發生偏差。

遇到這些情況，你可能會不以爲然。時間不準，那我們就「人工」調準它。

但你有沒有停下來想一想，爲什麼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，它們的時間是怎麼來的。

鐘錶和計算機內部都有一個叫做「晶體振盪器」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「穩定性」，取決於它的製造工藝，以及外界環境的影響。

出於成本的考慮，鐘錶的製作工藝沒那麼高，所以它更容易有誤差。而電腦製造工藝雖然比較高，但它內部的晶體振盪器也會受到「溫度」變化帶來的影響，在工作過程中，也會有產生誤差。

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「網絡」，你會發現，它會自動與「網絡時間」保持同步。

可問題是，這個「網絡時間」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「時間服務器」，之後這臺電腦會與服務器定時同步，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、智能手錶等電子設備，只要能連接網絡，都會自動同步網絡時間。

那繼續追問，這個「時間服務器」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，這個網絡時間究竟是怎麼「同步」到我們的電腦上的？

你可能會說，那肯定是通過網絡數據包。

問題又來了，網絡傳輸數據也是有「延遲」的，同步服務器時間，不還是存在誤差嗎？

環環相扣，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。

時間是怎麼來的？

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

這裏我們不探討高深莫測的學術知識，只把目光放聚焦在計算機這個很小的範疇內。但要想清楚解釋這個問題，也並非想的那麼簡單。

我們從最簡單的開始說起。

想要知道時間是怎麼被定義的，首先要知道「天」是怎麼來的？

答案是：觀察太陽。

由於地球的「自轉」，人們可以看到日出日落，人們日出而作，日落而息，所以就把這一週期現象定義爲「天」。

地球除了自轉，還在圍繞太陽公轉，所以公轉一週就被定義爲一「年」。

從這些現象就能看出來，很早之前的人們，是以「天文現象」來確定時間的。

再後來，人們爲了把時間定義得更「精確」，就把一天平均劃分爲 24 等份，這就是「時」。

同樣地，把 1 小時劃分 60「分鐘」，1 分鐘劃分爲 60「秒」。

這樣，時間的基本單位「秒」就被定義出來了。

所以，秒與天的關係就是這樣的：

1 秒 = 1 / 24 * 60 * 60 = 1 / 86400 天。

這些定義，都與「地球自轉」和「太陽」息息相關。

但是，後來人們發現，地球的公轉軌道並不是一個正圓，而是一個「橢圓」，也就是說公轉速度是「不均勻」的，這意味着什麼呢？

這意味着每天的時間不是等長的，那根據天推算出的秒，自然也不是「等長」的。

很明顯，這裏的計算存在誤差。這怎麼辦？

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

確定了天文規律，人們開始製造「鐘錶」，把時間表示出來。

從擺鐘到機械鐘，再到現代廣泛使用的石英鐘，鐘錶的製作工藝越來越高，時間精度也越來越高，現代石英鐘每天的計時誤差只有「千分之一秒」。

所以，在 1927 年，人們以基於「天文現象」+「鐘錶計時」，確立了第一套時間標準：世界時（Universal Time，簡稱 UT）。

但是，隨着科技的發展，人類對太陽的觀測越來越精準，有意思的事情發生了。

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

這會導致什麼問題呢？

這會導致之前規定的，每年平均下來一天的時間，現在來看，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，人們以地球自轉爲依據，定義出來的時間，還是不準！

你可能會想，時間有誤差會有什麼問題嗎？人們依賴不準確的天文現象，不也生活了幾個世紀麼？

確實，對於人們的基本生活影響其實並不大。但隨着人類活動的發展，人們對於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，炮彈的發射要精確在千分之一秒內發生，雷達技術甚至需要精確到百萬分之一秒...

尤其是衛星發射、火箭試驗等航天領域，對高精度的時間系統也提出了越來越高的要求！

怎麼辦？怎麼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，我們對於「秒」的定義需求，從本質上講，就是想要一個「完全穩定」的週期，也就是說，期望每一秒都是固定「等長」的。

而以天文觀測、地球自轉爲基礎的時間測量，做不到這一點。

那在微觀世界層面，是否存在一種元素，它的運動週期是「高度穩定」，不受外界環境影響的呢？

科學家們沿着這個思路開始探索...

好，現在讓我們把視角下放，來到原子世界。

一個原子雖然很小，但它內部卻是一個很複雜的世界。

每個原子都有一個原子核，核外分層排布着高速運轉的電子，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，物理學上稱此爲「躍遷」。

人們發現，原子內的電子發生躍遷時，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「週期運動」，我們也可以把它看成原子內部的「振盪」。

基於這個原理，科學家們開始不斷地試驗、研究，嘗試尋找一種運動「週期短、高度穩定」的原子。

終於，科學家們發現確實存在這樣一種原子：銫原子，它內部的振盪週期比其它原子都要更短、更穩定，而且，這個過程基本不受環境因素的干擾。

經過層層試驗，科學家們認爲這是目前人類在地球上可測量到的，運動週期最短、週期最穩定的元素！

之後，科學家們就以之前定義的「秒」爲基礎，去測量一秒內這個銫原子內部電子週期運動的「次數」，測量出來的結果爲 9192631770 次（91 億 + 次）。

基於此，科學家們決定「拋棄」原來基於天文測量的秒，重新定義「秒」的時長，就是這個高度穩定的運動週期。

因此，在 1967 年，國際度量衡大會決定採用，以銫原子躍遷 9192631770 個週期，所持續的時間長度定義爲 1 秒！

注：這個測量原理和測量過程比較複雜，這裏把這些物理細節簡化了。不用太過糾結這個數值是怎麼測量出來的，你只需要理解，這個微觀原子內部的振盪週期是非常穩定的，它比之前根據天文現象測量出來的秒，要精確多得多。

而基於這個銫原子振盪製造出來的時鐘，我們就把它稱之爲「原子鐘」。

有了原子鐘，這就意味着，原子鐘輸出的每一秒，都是絕對「等長」的，非常穩定，這樣一來，就實現了「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。

科研技術還在發展，精密設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，人們基於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），實打實的一秒，完全穩定的一秒。

這個方案非常棒，至此終於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——以天文現象計時的「世界時」呢？

答案是否定的，這個問題遠比想象的複雜得多，這是爲什麼呢？

世界標準時間是怎麼來的？

現在，科學家制定出了兩套時間標準：

  1. 世界時：基於天文現象 + 鐘錶計時，永遠與地球自轉時間相匹配

  2. 國際原子時：基於原子鐘計時，每一秒的週期完全等長且固定

假設我們以國際原子時爲時間標準，那會發生什麼現象呢？

因爲原子時非常穩定，但世界時隨着地球自轉變慢，會越來越慢，就會發生這種現象：

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...

基於天文測算的世界時，已經指導我們人類生活了上千年，人類早已習慣了這種時間標準，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定的計時標準，來發展科學研究，兩者發生矛盾，這怎麼辦？

科學家們又開始思考，終於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「原子時爲基準」，開始計時，走的每一秒都是穩定、精確的。

同時，爲了兼顧基於天文測量的世界時，人類會「持續觀測」世界時與這個新時鐘的差距。

如果發現兩者相差過大時，我們就「人爲」地調整一下這個時鐘（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，經過一段時間後，如果發現兩者相差越來越大，那就給這個時鐘「加一秒」，讓這個時鐘在 23:59:59 的下一秒變爲 23:59:60 秒，讓它與世界時差距控制在 0.9 秒以內，這個操作過程，相當於讓快的時鐘稍微「等」一下走得慢的世界時。

而加的這一秒，科學家把它定義爲「閏秒」。

是不是挺有意思？聽說過閏年，沒想到還有閏秒！

當然，當地球自轉速度變快時，這裏也有可能是減一秒，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，地球自轉速度是越來越慢的。

這麼做的好處在於，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！

由於這個時鐘是基於原子時 + 世界時「協調」得出的，所以科學家們把它定義爲協調世界時（Coordinated Universal Time，簡稱 UTC）。

看到了麼？我們在開發時經常看到的 UTC，原來是這樣來的！

有了這個研究成果，有技術能力的國家都紛紛製造自己的原子鐘，然後計算協調世界時。

同時，爲了進一步降低原子鐘的測量誤差，每個國家會在每個月，統一上報自己計算的世界協調時到一個權威機構，然後這個權威機構會根據各國實驗室的精度，進行加權計算，算出「最終」的協調世界時。

之後，再把這個最終的時間下發到各個國家，讓各個國家進行「對錶」校準，保證全世界的時間誤差在 100 納秒以內。

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

值得一提的是，配合計算世界協調時的國家，也有中國，這個實驗室就是「中國科學院國家授時中心」，它位於中國的陝西省渭南市蒲城縣，持續維護中國的標準時間。

爲什麼國家授時中心會設立在陝西省？因爲陝西省的地理位置處於中國的中部，從這個位置向各地廣播時間時，對全國每個地區距離都是相對平均的。

之後，中國會在自己算出的世界協調時的基礎上，再加 8 個小時（中國在東八區），最終得出來的時間，就是「北 京 時 間」！

沒錯，就是我們經常在新聞播報上聽到的，北京時間。

是不是挺有意思？北京時間並不是在北京產生的，而是在陝西省，並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，這套時間標準於 1972 年正式確定，一致沿用至今。

有了標準時間，那麼接下來的問題就是，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？

到現在我們知道，世界標準時間和北京時間是怎麼來的，但北京時間的產生是在陝西省，難道校準一次時間需要跑到這裏嗎？

很顯然是不需要的。

位於陝西省的中國科學院國家授時中心，產生北京時間後，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」。

具體怎麼做呢？

國家授時中心提供很多授時方式，例如無線電波、網絡、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，把時間發送給全國各地的「時間服務器」。

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

經過這麼一番研究，到這裏我們就可以解釋文章開頭的問題了。

一個時間服務器，原來是通過國家授時中心同步時間，然後再給其它終端提供時間同步服務的。

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，客戶端向服務端「請求獲取」標準時間，服務端響應時間數據，客戶端修改自己的「本機時間」即可。

但事情沒你想的這麼簡單。

因爲數據在網絡傳輸過程中，也是需要時間的，這個時間也會影響到時間的準確性。

這怎麼辦呢？

於是人們想了一種方案，當計算機在做時間校準時，也需要把網絡延遲計算進去，最後「修正」這個同步過來的時間，降低誤差。

現在，已經有個軟件已經把這一切都做好了，如果你瞭解一些運維相關的工作，就會知道，我們部署應用程序的服務器上，都會啓動一個「自動校準」時間的服務，這個服務就是 NTP（Network Time Protocol），它可以保證每臺機器的時間與時間服務器保持同步。

那 NTP 是怎麼同步服務器時間的呢？

這裏就涉及到 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，它是通過在網絡報文上打「時間戳」的方式，然後配合計算網絡延遲，從而修正本機的時間。

根據圖示可以計算出網絡「傳輸延遲」，以及客戶端與服務端的「時間差」：

這個計算過程假設網絡來回路徑是對稱的，並且時延相同。

這樣一來，客戶端就可以「校準」自己的本機時間了，與服務端保持同步，這個時間誤差在廣域網下是 10ms - 500ms，在局域網下通常可以小於 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，我們很多時候寫的程序代碼是這樣的：

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

// t2比t1小怎麼辦？
elapsed = t2 - t1

t2 的時間真的會比 t1 小嗎？

這裏就牽涉出 2 個概念：牆上時鐘、單調時鐘，它們之間有什麼區別呢？

一般我們寫的代碼，像上面程序調用的「時間 API」，通常獲取的時間是牆上時鐘，所以，如果時間發生校準，就可能會發生「時光倒流」的情況。

這必然對程序產生很大的影響，怎麼解決這個問題呢？

幸運的是，NTP 在校準時間時，提供了 2 種方式：

  1. ntpdate：一切以服務端時間爲準，「強制修改」本機時間

  2. ntpd：採用「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，小步調整，逐漸與服務端的時鐘「對齊」，這樣一來，本機時間依舊是遞增的，避免發生「倒流」。

當我們在配置 ntp 服務時，需要格外注意這種情況。另外，在編寫程序時，也要注意調用的時間 API 獲取的是哪個時間，避免業務邏輯發生異常。

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備的，怎麼樣，有沒有解答了你心中的很多疑惑？

總結

好了，總結一下。

這篇文章我們講了非常多的概念，這裏我們再重新梳理一遍。

1、人類的早期生活，依靠觀測「天文現象」來測量時間，基於地球自轉規律，定義了一套時間標準：「世界時」。

2、後來人們發現，由於地球公轉軌道是一個橢圓，並且地球自轉還受到地球內部的影響，自轉速度越來越慢，人們發現世界時測算出的時間「不準」。

3、科學家們開始從「微觀世界」尋找更穩定的週期運動，最終確定以「銫原子」的振動頻率爲基準，製造出了「原子鐘」，確立了「世界原子時」，並重新定義了「秒」長度，時長高度精確。

4、但由於人類社會活動已高度依賴「世界時」，所以科學家們基於「原子時」和「世界時」，最終確立出新的時間標準：「世界協調時」，把它定義成了全球的時間標準，至此，世界標準時間誕生。

5、中國基於「世界協調時」再加上 8 小時時區之差，確立了「北京時間」，並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「時間服務器」，我們生活中使用的時間，例如計算機，就是通過時間服務器自動同步校準的。

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

8、NTP 服務應該採用潤物細無聲的方式同步時間，避免時間發生「倒流」。

後記

這篇文章是我有史以來，最難寫的一篇，因爲其中有大量科普類知識，涉及範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，很多時候會因爲一個很小的細節，又深挖出更多相關的領域的知識，讓我目不暇接。

例如，銫原子的振動頻率是怎麼測量的？爲什麼能測量得這麼精確？各個國家的原子鐘爲什麼會有差異？計算機是如何處理閏秒的？時區是怎麼來的？本初子午線是什麼？...

很多細節我其實並沒有展開來講，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。如果有些細節你沒有讀懂，可以先嚐試多讀幾遍，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，看似調用了一個簡單的時間 API，可曾想過，背後卻是人類多少年來的智慧結晶。希望這篇文章能解答你對時間的種種疑惑。

如果你對時間這個話題的學習意猶未盡，還可以在我的公衆號後臺回覆「時間」，獲取更多我整理的資料學習。

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