计算机时间到底是怎么来的？程序员必看的时间知识！
大家好，我是 Kaito。
这篇文章我想和你聊一聊「时间」这个话题。
时间总是在不经意间流逝，我们在写代码时，也经常会调用「时间 API」，你有思考过这背后的原理吗？
关于时间的问题还有很多，例如：
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为什么计算机的时间有时候「走不准」？
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计算机究竟是怎么「自动校准」时间的？
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我们经常看到的 UTC 时间，到底是什么？
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我们在新闻上看到的「北京时间」，真的来自北京吗？
这篇文章，我们就来揭秘时间背后的秘密。
这篇文章非常有意思，希望你可以耐心读完。
基于这个原理，科学家们开始不断地试验、研究，尝试寻找一种运动「周期短、高度稳定」的原子。
终于，科学家们发现确实存在这样一种原子：铯原子，它内部的振荡周期比其它原子都要更短、更稳定，而且，这个过程基本不受环境因素的干扰。
经过层层试验，科学家们认为这是目前人类在地球上可测量到的，运动周期最短、周期最稳定的元素！
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）。
基于此，科学家们决定「抛弃」原来基于天文测量的秒，重新定义「秒」的时长，就是这个高度稳定的运动周期。
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：这个测量原理和测量过程比较复杂，这里这些物理细节简化了。不用太过纠结这个数值是怎么测量出来的，你只需要理解，这个微观原子内部的振荡周期是非常稳定的，它比之前根据天文现象测量出来的秒，要精确多得多。
而基于这个铯原子振荡制造出来的时钟，我们就把它称之为「原子钟」。
有了原子钟，这就意味着，原子钟输出的每一秒，都是绝对「等长」的，非常稳定，这样一来，就实现了「精准计时」！
这个精确程度可以达到多高呢？
2000 万年不差 1 秒！可见其精准程度之高。
科研技术还在发展，精密设备和测量能力也越来越高，最新的原子钟甚至可以达到 1 亿年不差 1 秒！
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）。
科学家们规定，从 1958-01-01 00:00:00 起，用原子时开始计时，它每走的一秒，都是非常精确的一秒（固定等长），实打实的一秒，完全稳定的一秒。
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：
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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
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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
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）。
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。
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」：
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网络延时 = (t4 – t1) – (t3 – t2)
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时间差 = t2 – t1 – 网络延时 / 2 = ((t2 – t1) + (t3 – t4)) / 2
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？
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墙上时钟：通常就是指前面讲到的世界协调时 UTC，校准时间后，可能发生回拨
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单调时钟：计算机自启动以后经历的纳秒数，不会回拨
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：
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ntpdate：一切以服务端时间为准，「强制修改」本机时间
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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」相互协调，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」。
后记
这篇文章是我有史以来，最难写的一篇，因为其中有大量科普类知识，涉及范围之广远超我的想象。
在写这篇文章时，我至少阅读了 30 篇以上的资料，很多时候会因为一个很小的细节，又深挖出更多相关的领域的知识，让我目不暇接。
例如，铯原子的振动频率是怎么测量的？为什么能测量得这么精确？各个国家的原子钟为什么会有差异？计算机是如何处理闰秒的？时区是怎么来的？本初子午线是什么？…
很多细节我其实并没有展开来讲，我已尽力避开讲那些晦涩难懂的物理知识，只保留了重要的理论概念，希望你理解了这其中的原理。如果有些细节你没有读懂，可以先尝试多读几遍，也可以与我进一步交流。
同时，在查阅资料过程中，真切地感叹人类研究成果之伟大，能把时间的误差，缩小到几亿年的精度，敬佩之情无以言表。
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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我是 Kaito，是一个对于技术有思考的资深后端程序员，在我的文章中，我不仅会告诉你一个技术点是什么，还会告诉你为什么这么做？我还会尝试把这些思考过程，提炼成通用的方法论，让你可以应用在其它领域中，做到举一反三。
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