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：
为什么计算机的时间有时候「走不准」？
计算机究竟是怎么「自动校准」时间的？
我们经常看到的 UTC 时间，到底是什么？
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。
时间为什么总是走“不准”？你肯定遇到过这样的场景，家里买了一个钟表，时间一长，就会发现它走得「不准」了。又或者，一台长时间不使用的电脑，它的时间也会发生偏差。遇到这些情况，你可能会不以为然。时间不准，那我们就「人工」调准它。但你有没有停下来想一想，为什么它们的时间会越走越不准呢？要回答这个问题其实不难，我们只需要搞清楚，它们的时间是怎么来的。钟表和计算机内部都有一个叫做「晶体振荡器」的东西，给它加上电压，它就会以固定的频率振动。但这个振动频率的「稳定性」，取决于它的制造工艺，以及外界环境的影响。出于成本的考虑，钟表的制作工艺没那么高，所以它更容易有误差。而电脑制造工艺虽然比较高，但它内部的晶体振荡器也会受到「温度」变化带来的影响，在工作过程中，也会有产生误差。虽然它们的误差很小，但日积月累下来，误差就越来越明显。因此，我们现在使用的计算机，都有「自动校准」时间的功能。但是如何校准呢？如何校准时间？很简单，只要你把电脑连上了「网络」，你会发现，它会自动与「网络时间」保持同步。可问题是，这个「网络时间」哪儿来的？我猜你大脑的第一反应是，每台电脑肯定配置了一个「时间服务器」，之后这台电脑会与服务器定时同步，自动校准。没错，确实是这样，不光是电脑，我们平时使用的手机、平板、智能手表等电子设备，只要能连接网络，都会自动同步网络时间。那继续追问，这个「时间服务器」的时间就一定是准的吗？理论来讲，它应该也是一台计算机，难道它不会遇到我们前面说的问题吗？此外，这个网络时间究竟是怎么「同步」到我们的电脑上的？你可能会说，那肯定是通过网络数据包。问题又来了，网络传输数据也是有「延迟」的，同步服务器时间，不还是存在误差吗？环环相扣，像一个俄罗斯套娃，很难解释清楚。要想彻底搞清楚这些问题，就要深入到时间的「源头」来寻找答案。时间是怎么来的？时间是一个非常抽象的概念，多少年来，吸引着无数科学家、物理学家、甚至哲学家花费毕生精力去解释时间的本质是什么，从宇宙大爆炸到时空相对论，从黑洞到量子力学，都能看到关于时间这个问题的身影。这里我们不探讨高深莫测的学术知识，只把目光放聚焦在计算机这个很小的范畴内。但要想清楚解释这个问题，也并非想的那么简单。我们从最简单的开始说起。想要知道时间是怎么被定义的，首先要知道「天」是怎么来的？
答案是：观察太阳。
由于地球的「自转」，人们可以看到日出日落，人们日出而作，日落而息，所以就把这一周期现象定义为「天」。
地球除了自转，还在围绕太阳公转，所以公转一周就被定义为一「年」。
再后来，人们为了把时间定义得更「精确」，就把一天平均划分为 24 等份，这就是「时」。
同样地，把 1 小时划分 60「分钟」，1 分钟划分为 60「秒」。
这样，时间的基本单位「秒」就被定义出来了。
所以，秒与天的关系就是这样的：
1 秒 = 1 / 24 60 60 = 1 / 86400 天。这些定义，都与「地球自转」和「太阳」息息相关。但是，后来人们发现，地球的公转轨道并不是一个正圆，而是一个「椭圆」，也就是说公转速度是「不均匀」的，这意味着什么呢？这意味着每天的时间不是等长的，那根据天推算出的秒，自然也不是「等长」的。但是，后来人们发现，地球的公转轨道并不是一个正圆，而是一个「椭圆」，也就是说公转速度是「不均匀」的，这意味着什么呢？这意味着每天的时间不是等长的，那根据天推算出的秒，自然也不是「等长」的。很明显，这里的计算存在误差。这怎么办？聪明的人们就想到，把一年内所有天的时长加起来，然后求「平均」，得到相对固定的「天」，然后再计算得出「相对平均」的秒，这样就减小了误差。确定了天文规律，人们开始制造「钟表」，把时间表示出来。从摆钟到机械钟，再到现代广泛使用的石英钟，钟表的制作工艺越来越高，时间精度也越来越高，现代石英钟每天的计时误差只有「千分之一秒」。所以，在 1927 年，人们以基于「天文现象」 「钟表计时」，确立了第一套时间标准：世界时（Universal Time，简称 UT）。但是，随着科技的发展，人类对太阳的观测越来越精准，有意思的事情发生了。人们发现，地球每天的自转速度也「不是匀速」的，地球的自转受到潮汐、地壳运动、冰川融化、地震等自然现象的影响，越来越慢！这会导致什么问题呢？这会导致之前规定的，每年平均下来一天的时间，现在来看，也是不一样长的。例如，第 1 年算出来平均一天的时间是 23.9997 小时，第 2 年可能是 23.998 小时，第 3 年可能是 23.999 小时…那按照 1 秒 = 1 / 86400 天的定义，每一年的「秒」，也是不一样长的。这就比较尴尬了，人们以地球自转为依据，定义出来的时间，还是不准！你可能会想，时间有误差会有什么问题吗？人们依赖不准确的天文现象，不也生活了几个世纪么？确实，对于人们的基本生活影响其实并不大。但随着人类活动的发展，人们对于高精度的时间场景开始变得越来越多。例如，体育赛事中百分之一秒的差距就能决定胜负，炮弹的发射要精确在千分之一秒内发生，雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒…尤其是卫星发射、火箭试验等航天领域，对高精度的时间系统也提出了越来越高的要求！怎么办？怎么彻底解决时间不准的问题？
聪明的科学家们开始思考，既然观测天文现象无法解决这个问题，那在微观层面能否找到比较好的解决方案吗？
这时，他们开始把目光投向了「微观世界」。
一秒到底有多长？让我们梳理一下我们的需求。一直以来，我们对于「秒」的定义需求，从本质上讲，就是想要一个「完全稳定」的周期，也就是说，期望每一秒都是固定「等长」的。而以天文观测、地球自转为基础的时间测量，做不到这一点。那在微观世界层面，是否存在一种元素，它的运动周期是「高度稳定」，不受外界环境影响的呢？科学家们沿着这个思路开始探索…好，现在让我们把视角下放，来到原子世界。一个原子虽然很小，但它内部却是一个很复杂的世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排布着高速运转的电子，当原子受电磁辐射时，它的轨道电子可以从一个位置「跳」到另一个位置，物理学上称此为「跃迁」。人们发现，原子内的电子发生跃迁时，原子会吸收或放出一定能量的「电磁波」，这类电磁波就是一种「周期运动」，我们也可以把它看成原子内部的「振荡」。
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，这里把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：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，就会发生这种现象：原子时走得快，世界时走得慢，时间越久，两者差距越来越大日复一日，几百年后，世界时的正午 12 点是太阳高照的时刻，而原子时可能已经走到了下午 2 点了几千年后，太阳高照的时刻，原子时可能已经走到了晚上 8 点！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，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」。
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 100 纳秒以内。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西安市临潼区，持续维护中国的标准时间。
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」：网络延时 = (t4 – t1) – (t3 – t2)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？
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：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」。
