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時(shí)間總是在不經(jīng)意間流逝，我們?cè)趯?xiě)代碼時(shí)，也經(jīng)常會(huì)調(diào)用「時(shí)間 API」，你有思考過(guò)這背后的原理嗎？

關(guān)于時(shí)間的問(wèn)題還有很多，例如：

為什么計(jì)算機(jī)的時(shí)間有時(shí)候「走不準(zhǔn)」？
計(jì)算機(jī)究竟是怎么「自動(dòng)校準(zhǔn)」時(shí)間的？
我們經(jīng)常看到的 UTC 時(shí)間，到底是什么？
我們?cè)谛侣勆峡吹降摹副本r(shí)間」，真的來(lái)自北京嗎？

這篇文章，我們就來(lái)揭秘時(shí)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(shí)間為什么總是走“不準(zhǔn)”？

你肯定遇到過(guò)這樣的場(chǎng)景，家里買了一個(gè)鐘表，時(shí)間一長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它走得「不準(zhǔn)」了。

又或者，一臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間不使用的電腦，它的時(shí)間也會(huì)發(fā)生偏差。

遇到這些情況，你可能會(huì)不以為然。時(shí)間不準(zhǔn)，那我們就「人工」調(diào)準(zhǔn)它。

但你有沒(méi)有停下來(lái)想一想，為什么它們的時(shí)間會(huì)越走越不準(zhǔn)呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題其實(shí)不難，我們只需要搞清楚，它們的時(shí)間是怎么來(lái)的。

鐘表和計(jì)算機(jī)內(nèi)部都有一個(gè)叫做「晶體振蕩器」的東西，給它加上電壓，它就會(huì)以固定的頻率振動(dòng)。但這個(gè)振動(dòng)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(méi)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(huì)受到「溫度」變化帶來(lái)的影響，在工作過(guò)程中，也會(huì)有產(chǎn)生誤差。

雖然它們的誤差很小，但日積月累下來(lái)，誤差就越來(lái)越明顯。

因此，我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)，都有「自動(dòng)校準(zhǔn)」時(shí)間的功能。但是如何校準(zhǔn)呢？

如何校準(zhǔn)時(shí)間？

很簡(jiǎn)單，只要你把電腦連上了「網(wǎng)絡(luò)」，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，它會(huì)自動(dòng)與「網(wǎng)絡(luò)時(shí)間」保持同步。

可問(wèn)題是，這個(gè)「網(wǎng)絡(luò)時(shí)間」哪兒來(lái)的？

我猜你大腦的第一反應(yīng)是，每臺(tái)電腦肯定配置了一個(gè)「時(shí)間服務(wù)器」，之后這臺(tái)電腦會(huì)與服務(wù)器定時(shí)同步，自動(dòng)校準(zhǔn)。

沒(méi)錯(cuò)，確實(shí)是這樣，不光是電腦，我們平時(shí)使用的手機(jī)、平板、智能手表等電子設(shè)備，只要能連接網(wǎng)絡(luò)，都會(huì)自動(dòng)同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。

那繼續(xù)追問(wèn)，這個(gè)「時(shí)間服務(wù)器」的時(shí)間就一定是準(zhǔn)的嗎？

理論來(lái)講，它應(yīng)該也是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，難道它不會(huì)遇到我們前面說(shuō)的問(wèn)題嗎？

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

你可能會(huì)說(shuō)，那肯定是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

問(wèn)題又來(lái)了，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)也是有「延遲」的，同步服務(wù)器時(shí)間，不還是存在誤差嗎？

環(huán)環(huán)相扣，像一個(gè)俄羅斯套娃，很難解釋清楚。

要想徹底搞清楚這些問(wèn)題，就要深入到時(shí)間的「源頭」來(lái)尋找答案。

時(shí)間是怎么來(lái)的？

時(shí)間是一個(gè)非常抽象的概念，多少年來(lái)，吸引著無(wú)數(shù)科學(xué)家、物理學(xué)家、甚至哲學(xué)家花費(fèi)畢生精力去解釋時(shí)間的本質(zhì)是什么，從宇宙大爆炸到時(shí)空相對(duì)論，從黑洞到量子力學(xué)，都能看到關(guān)于時(shí)間這個(gè)問(wèn)題的身影。

這里我們不探討高深莫測(cè)的學(xué)術(shù)知識(shí)，只把目光放聚焦在計(jì)算機(jī)這個(gè)很小的范疇內(nèi)。但要想清楚解釋這個(gè)問(wèn)題，也并非想的那么簡(jiǎn)單。

我們從最簡(jiǎn)單的開(kāi)始說(shuō)起。

想要知道時(shí)間是怎么被定義的，首先要知道「天」是怎么來(lái)的？

答案是：觀察太陽(yáng)。

由于地球的「自轉(zhuǎn)」，人們可以看到日出日落，人們?nèi)粘龆鳎章涠ⅲ跃桶堰@一周期現(xiàn)象定義為「天」。

地球除了自轉(zhuǎn)，還在圍繞太陽(yáng)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(lái)，很早之前的人們，是以「天文現(xiàn)象」來(lái)確定時(shí)間的。

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

同樣地，把 1 小時(shí)劃分 60「分鐘」，1 分鐘劃分為 60「秒」。

這樣，時(shí)間的基本單位「秒」就被定義出來(lái)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(yáng)」息息相關(guān)。

但是，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，地球的公轉(zhuǎn)軌道并不是一個(gè)正圓，而是一個(gè)「橢圓」，也就是說(shuō)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(shí)間不是等長(zhǎng)的，那根據(jù)天推算出的秒，自然也不是「等長(zhǎng)」的。

很明顯，這里的計(jì)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(shí)長(zhǎng)加起來(lái)，然后求「平均」，得到相對(duì)固定的「天」，然后再計(jì)算得出「相對(duì)平均」的秒，這樣就減小了誤差。

確定了天文規(guī)律，人們開(kāi)始制造「鐘表」，把時(shí)間表示出來(lái)。

從擺鐘到機(jī)械鐘，再到現(xiàn)代廣泛使用的石英鐘，鐘表的制作工藝越來(lái)越高，時(shí)間精度也越來(lái)越高，現(xiàn)代石英鐘每天的計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)」，確立了第一套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：世界時(shí)（Universal Time，簡(jiǎn)稱 UT）。

但是，隨著科技的發(fā)展，人類對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)越來(lái)越精準(zhǔn)，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(yùn)動(dòng)、冰川融化、地震等自然現(xiàn)象的影響，越來(lái)越慢！

這會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題呢？

這會(huì)導(dǎo)致之前規(guī)定的，每年平均下來(lái)一天的時(shí)間，現(xiàn)在來(lái)看，也是不一樣長(zhǎng)的。

例如，第 1 年算出來(lái)平均一天的時(shí)間是 23.9997 小時(shí)，第 2 年可能是 23.998 小時(shí)，第 3 年可能是 23.999 小時(shí)...

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

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

你可能會(huì)想，時(shí)間有誤差會(huì)有什么問(wèn)題嗎？人們依賴不準(zhǔn)確的天文現(xiàn)象，不也生活了幾個(gè)世紀(jì)么？

確實(shí)，對(duì)于人們的基本生活影響其實(shí)并不大。但隨著人類活動(dòng)的發(fā)展，人們對(duì)于高精度的時(shí)間場(chǎng)景開(kāi)始變得越來(lái)越多。

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

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

怎么辦？怎么徹底解決時(shí)間不準(zhǔn)的問(wèn)題？

聰明的科學(xué)家們開(kāi)始思考，既然觀測(cè)天文現(xiàn)象無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題，那在微觀層面能否找到比較好的解決方案嗎？

這時(shí)，他們開(kāi)始把目光投向了「微觀世界」。

一秒到底有多長(zhǎng)？

讓我們梳理一下我們的需求。

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

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

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

科學(xué)家們沿著這個(gè)思路開(kāi)始探索...

好，現(xiàn)在讓我們把視角下放，來(lái)到原子世界。

一個(gè)原子雖然很小，但它內(nèi)部卻是一個(gè)很復(fù)雜的世界。

每個(gè)原子都有一個(gè)原子核，核外分層排布著高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子，當(dāng)原子受電磁輻射時(shí)，它的軌道電子可以從一個(gè)位置「跳」到另一個(gè)位置，物理學(xué)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(shí)，原子會(huì)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(yùn)動(dòng)」，我們也可以把它看成原子內(nèi)部的「振蕩」。

基于這個(gè)原理，科學(xué)家們開(kāi)始不斷地試驗(yàn)、研究，嘗試尋找一種運(yùn)動(dòng)「周期短、高度穩(wěn)定」的原子。

終于，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)確實(shí)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(gè)過(guò)程基本不受環(huán)境因素的干擾。

經(jīng)過(guò)層層試驗(yàn)，科學(xué)家們認(rèn)為這是目前人類在地球上可測(cè)量到的，運(yùn)動(dòng)周期最短、周期最穩(wěn)定的元素！

之后，科學(xué)家們就以之前定義的「秒」為基礎(chǔ)，去測(cè)量一秒內(nèi)這個(gè)銫原子內(nèi)部電子周期運(yùn)動(dòng)的「次數(shù)」，測(cè)量出來(lái)的結(jié)果為 9192631770 次（91 億+次）。

基于此，科學(xué)家們決定「拋棄」原來(lái)基于天文測(cè)量的秒，重新定義「秒」的時(shí)長(zhǎng)，就是這個(gè)高度穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)周期。

因此，在 1967 年，國(guó)際度量衡大會(huì)決定采用，以銫原子躍遷 9192631770 個(gè)周期，所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度定義為 1 秒！

注：這個(gè)測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程比較復(fù)雜，這里把這些物理細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化了。不用太過(guò)糾結(jié)這個(gè)數(shù)值是怎么測(cè)量出來(lái)的，你只需要理解，這個(gè)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(cè)量出來(lái)的秒，要精確多得多。

而基于這個(gè)銫原子振蕩制造出來(lái)的時(shí)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(duì)「等長(zhǎng)」的，非常穩(wěn)定，這樣一來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了「精準(zhǔn)計(jì)時(shí)」！

這個(gè)精確程度可以達(dá)到多高呢？

2000 萬(wàn)年不差 1 秒！可見(jiàn)其精準(zhǔn)程度之高。

科研技術(shù)還在發(fā)展，精密設(shè)備和測(cè)量能力也越來(lái)越高，最新的原子鐘甚至可以達(dá)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，叫做「國(guó)際原子時(shí)」（International Atomic Time，簡(jiǎn)稱 TAI）。

科學(xué)家們規(guī)定，從 1958-01-01 00:00:00 起，用原子時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，它每走的一秒，都是非常精確的一秒（固定等長(zhǎng)），實(shí)打?qū)嵉囊幻耄耆€(wěn)定的一秒。

這個(gè)方案非常棒，至此終于解決了秒不固定長(zhǎng)的問(wèn)題。

那有了這個(gè)國(guó)際原子時(shí)，可否讓它直接取代掉前面說(shuō)的——以天文現(xiàn)象計(jì)時(shí)的「世界時(shí)」呢？

答案是否定的，這個(gè)問(wèn)題遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜得多，這是為什么呢？

世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是怎么來(lái)的？

現(xiàn)在，科學(xué)家制定出了兩套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：

世界時(shí)：基于天文現(xiàn)象 + 鐘表計(jì)時(shí)，永遠(yuǎn)與地球自轉(zhuǎn)時(shí)間相匹配
國(guó)際原子時(shí)：基于原子鐘計(jì)時(shí)，每一秒的周期完全等長(zhǎng)且固定

假設(shè)我們以國(guó)際原子時(shí)為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，那會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

因?yàn)樵訒r(shí)非常穩(wěn)定，但世界時(shí)隨著地球自轉(zhuǎn)變慢，會(huì)越來(lái)越慢，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象：

原子時(shí)走得快，世界時(shí)走得慢，時(shí)間越久，兩者差距越來(lái)越大
日復(fù)一日，幾百年后，世界時(shí)的正午 12 點(diǎn)是太陽(yáng)高照的時(shí)刻，而原子時(shí)可能已經(jīng)走到了下午 2 點(diǎn)了
幾千年后，太陽(yáng)高照的時(shí)刻，原子時(shí)可能已經(jīng)走到了晚上 8 點(diǎn)！

晚上 8 點(diǎn)是太陽(yáng)高照的時(shí)刻，你能想象這種情況嗎？

這太顛覆我們的生活認(rèn)知了...

基于天文測(cè)算的世界時(shí)，已經(jīng)指導(dǎo)我們?nèi)祟惿盍松锨辏祟愒缫蚜?xí)慣了這種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，直接被原子時(shí)取代，肯定是不能接受的。

但我們又需要原子時(shí)這種高度穩(wěn)定的計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)發(fā)展科學(xué)研究，兩者發(fā)生矛盾，這怎么辦？

科學(xué)家們又開(kāi)始思考，終于想到一個(gè)互相兼容的解決方案。

既然兩套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)都很重要，那兩者都保留，不會(huì)互相取代。

我們可以再建立一套「新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)」，這套時(shí)間以「原子時(shí)為基準(zhǔn)」，開(kāi)始計(jì)時(shí)，走的每一秒都是穩(wěn)定、精確的。

同時(shí)，為了兼顧基于天文測(cè)量的世界時(shí)，人類會(huì)「持續(xù)觀測(cè)」世界時(shí)與這個(gè)新時(shí)鐘的差距。

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

例如，這個(gè)時(shí)鐘本身比世界時(shí)走得快，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，如果發(fā)現(xiàn)兩者相差越來(lái)越大，那就給這個(gè)時(shí)鐘「加一秒」，讓這個(gè)時(shí)鐘在 23:59:59 的下一秒變?yōu)?23:59:60 秒，讓它與世界時(shí)差距控制在 0.9 秒以內(nèi)，這個(gè)操作過(guò)程，相當(dāng)于讓快的時(shí)鐘稍微「等」一下走得慢的世界時(shí)。

而加的這一秒，科學(xué)家把它定義為「閏秒」。

是不是挺有意思？聽(tīng)說(shuō)過(guò)閏年，沒(méi)想到還有閏秒！

當(dāng)然，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度變快時(shí)，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(lái)越慢的。

這么做的好處在于，這個(gè)時(shí)鐘的每一秒的計(jì)時(shí)依舊是精確的，而且還兼顧了日常生活使用的世界時(shí)，一舉兩得！

由于這個(gè)時(shí)鐘是基于原子時(shí) + 世界時(shí)「協(xié)調(diào)」得出的，所以科學(xué)家們把它定義為協(xié)調(diào)世界時(shí)（Coordinated Universal Time，簡(jiǎn)稱 UTC）。

看到了么？我們?cè)陂_(kāi)發(fā)時(shí)經(jīng)常看到的 UTC，原來(lái)是這樣來(lái)的！

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

同時(shí)，為了進(jìn)一步降低原子鐘的測(cè)量誤差，每個(gè)國(guó)家會(huì)在每個(gè)月，統(tǒng)一上報(bào)自己計(jì)算的世界協(xié)調(diào)時(shí)到一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)，然后這個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)各國(guó)實(shí)驗(yàn)室的精度，進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，算出「最終」的協(xié)調(diào)世界時(shí)。

之后，再把這個(gè)最終的時(shí)間下發(fā)到各個(gè)國(guó)家，讓各個(gè)國(guó)家進(jìn)行「對(duì)表」校準(zhǔn)，保證全世界的時(shí)間誤差在 100 納秒以內(nèi)。

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

值得一提的是，配合計(jì)算世界協(xié)調(diào)時(shí)的國(guó)家，也有中國(guó)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室就是「中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心」，它位于中國(guó)的陜西省渭南市蒲城縣，持續(xù)維護(hù)中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

為什么國(guó)家授時(shí)中心會(huì)設(shè)立在陜西省？因?yàn)殛兾魇〉牡乩砦恢锰幱谥袊?guó)的中部，從這個(gè)位置向各地廣播時(shí)間時(shí)，對(duì)全國(guó)每個(gè)地區(qū)距離都是相對(duì)平均的。

之后，中國(guó)會(huì)在自己算出的世界協(xié)調(diào)時(shí)的基礎(chǔ)上，再加 8 個(gè)小時(shí)（中國(guó)在東八區(qū)），最終得出來(lái)的時(shí)間，就是「北京時(shí) 間」！

沒(méi)錯(cuò)，就是我們經(jīng)常在新聞播報(bào)上聽(tīng)到的，北京時(shí)間。

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

至此，全新的世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間確立了，這套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)于 1972 年正式確定，一致沿用至今。

有了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，那么接下來(lái)的問(wèn)題就是，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間到底是如何同步到我們的電腦、手機(jī)、電子設(shè)備上的呢？

這就是下面要講的「授時(shí)」。

計(jì)算機(jī)如何同步時(shí)間？

到現(xiàn)在我們知道，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和北京時(shí)間是怎么來(lái)的，但北京時(shí)間的產(chǎn)生是在陜西省，難道校準(zhǔn)一次時(shí)間需要跑到這里嗎？

很顯然是不需要的。

位于陜西省的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，產(chǎn)生北京時(shí)間后，會(huì)通過(guò)一系列方式，把這個(gè)時(shí)間廣播出去，這個(gè)過(guò)程，就叫做「授時(shí)」。

具體怎么做呢？

國(guó)家授時(shí)中心提供很多授時(shí)方式，例如無(wú)線電波、網(wǎng)絡(luò)、電話，都可以把時(shí)間廣播出去。

通常來(lái)說(shuō)，無(wú)線電波的傳播速度更快、傳播誤差小，所以授時(shí)中心會(huì)通過(guò)這種方式，把時(shí)間發(fā)送給全國(guó)各地的「時(shí)間服務(wù)器」。

時(shí)間服務(wù)器有了準(zhǔn)確的時(shí)間后，再通過(guò)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(guò)這么一番研究，到這里我們就可以解釋文章開(kāi)頭的問(wèn)題了。

一個(gè)時(shí)間服務(wù)器，原來(lái)是通過(guò)國(guó)家授時(shí)中心同步時(shí)間，然后再給其它終端提供時(shí)間同步服務(wù)的。

那我們的計(jì)算機(jī)如何和它保持同步呢？

你可能會(huì)想，最簡(jiǎn)單的方式就是，客戶端向服務(wù)端「請(qǐng)求獲取」標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，服務(wù)端響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，客戶端修改自己的「本機(jī)時(shí)間」即可。

但事情沒(méi)你想的這么簡(jiǎn)單。

因?yàn)閿?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，也是需要時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間也會(huì)影響到時(shí)間的準(zhǔn)確性。

這怎么辦呢？

于是人們想了一種方案，當(dāng)計(jì)算機(jī)在做時(shí)間校準(zhǔn)時(shí)，也需要把網(wǎng)絡(luò)延遲計(jì)算進(jìn)去，最后「修正」這個(gè)同步過(guò)來(lái)的時(shí)間，降低誤差。

現(xiàn)在，已經(jīng)有個(gè)軟件已經(jīng)把這一切都做好了，如果你了解一些運(yùn)維相關(guān)的工作，就會(huì)知道，我們部署應(yīng)用程序的服務(wù)器上，都會(huì)啟動(dòng)一個(gè)「自動(dòng)校準(zhǔn)」時(shí)間的服務(wù)，這個(gè)服務(wù)就是 NTP（Network Time Protocol），它可以保證每臺(tái)機(jī)器的時(shí)間與時(shí)間服務(wù)器保持同步。

那 NTP 是怎么同步服務(wù)器時(shí)間的呢？

這里就涉及到 2 個(gè)重點(diǎn)：

NTP 如何同步時(shí)間？
同步時(shí)間時(shí)，對(duì)正在運(yùn)行的程序有沒(méi)有影響？

先來(lái)看第一個(gè)問(wèn)題：NTP 如何同步時(shí)間？

簡(jiǎn)單來(lái)講，它是通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文上打「時(shí)間戳」的方式，然后配合計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲，從而修正本機(jī)的時(shí)間。

根據(jù)圖示可以計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)「?jìng)鬏斞舆t」，以及客戶端與服務(wù)端的「時(shí)間差」：

網(wǎng)絡(luò)延時(shí) = (t4 - t1) - (t3 - t2)
時(shí)間差 = t2 - t1 - 網(wǎng)絡(luò)延時(shí) / 2 = ((t2 - t1) + (t3 - t4)) / 2

這個(gè)計(jì)算過(guò)程假設(shè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)回路徑是對(duì)稱的，并且時(shí)延相同。

這樣一來(lái)，客戶端就可以「校準(zhǔn)」自己的本機(jī)時(shí)間了，與服務(wù)端保持同步，這個(gè)時(shí)間誤差在廣域網(wǎng)下是 10ms - 500ms，在局域網(wǎng)下通常可以小于 1ms。

再來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題：同步時(shí)間時(shí)，對(duì)正在運(yùn)行的程序有沒(méi)有影響？

例如，我們很多時(shí)候?qū)懙某绦虼a是這樣的：

t1 = time.now()
// 時(shí)間發(fā)生校準(zhǔn)
t2 = time.now()

// t2比t1小怎么辦？
elapsed = t2 - t1

t2 的時(shí)間真的會(huì)比 t1 小嗎？

這里就牽涉出 2 個(gè)概念：墻上時(shí)鐘、單調(diào)時(shí)鐘，它們之間有什么區(qū)別呢？

墻上時(shí)鐘：通常就是指前面講到的世界協(xié)調(diào)時(shí) UTC，校準(zhǔn)時(shí)間后，可能發(fā)生回?fù)?/span>
單調(diào)時(shí)鐘：計(jì)算機(jī)自啟動(dòng)以后經(jīng)歷的納秒數(shù)，不會(huì)回?fù)?/span>

一般我們寫(xiě)的代碼，像上面程序調(diào)用的「時(shí)間 API」，通常獲取的時(shí)間是墻上時(shí)鐘，所以，如果時(shí)間發(fā)生校準(zhǔn)，就可能會(huì)發(fā)生「時(shí)光倒流」的情況。

這必然對(duì)程序產(chǎn)生很大的影響，怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？

幸運(yùn)的是，NTP 在校準(zhǔn)時(shí)間時(shí)，提供了 2 種方式：

ntpdate：一切以服務(wù)端時(shí)間為準(zhǔn)，「強(qiáng)制修改」本機(jī)時(shí)間
ntpd：采用「潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲」的方式修改本機(jī)時(shí)間，把時(shí)間差均攤到每次小的調(diào)整上

也就是說(shuō)，ntpd 當(dāng)接收到需要「回?fù)堋沟臅r(shí)間時(shí)，會(huì)讓本機(jī)時(shí)間走得「慢」一點(diǎn)，小步調(diào)整，逐漸與服務(wù)端的時(shí)鐘「對(duì)齊」，這樣一來(lái)，本機(jī)時(shí)間依舊是遞增的，避免發(fā)生「倒流」。

當(dāng)我們?cè)谂渲?ntp 服務(wù)時(shí)，需要格外注意這種情況。另外，在編寫(xiě)程序時(shí)，也要注意調(diào)用的時(shí)間 API 獲取的是哪個(gè)時(shí)間，避免業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生異常。

至此，我們從看似簡(jiǎn)單的時(shí)間問(wèn)題，一步步深挖到時(shí)間的定義，再到時(shí)間是如何同步到計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備的，怎么樣，有沒(méi)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?cè)僦匦率崂硪槐椤?/span>

1、人類的早期生活，依靠觀測(cè)「天文現(xiàn)象」來(lái)測(cè)量時(shí)間，基于地球自轉(zhuǎn)規(guī)律，定義了一套時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：「世界時(shí)」。

2、后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，由于地球公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)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(lái)越慢，人們發(fā)現(xiàn)世界時(shí)測(cè)算出的時(shí)間「不準(zhǔn)」。

3、科學(xué)家們開(kāi)始從「微觀世界」尋找更穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)，最終確定以「銫原子」的振動(dòng)頻率為基準(zhǔn)，制造出了「原子鐘」，確立了「世界原子時(shí)」，并重新定義了「秒」長(zhǎng)度，時(shí)長(zhǎng)高度精確。

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

5、中國(guó)基于「世界協(xié)調(diào)時(shí)」再加上 8 小時(shí)時(shí)區(qū)之差，確立了「北京時(shí)間」，并廣播給整個(gè)中國(guó)大地使用。

6、「國(guó)家授時(shí)中心」把北京時(shí)間廣播給全國(guó)的「時(shí)間服務(wù)器」，我們生活中使用的時(shí)間，例如計(jì)算機(jī)，就是通過(guò)時(shí)間服務(wù)器自動(dòng)同步校準(zhǔn)的。

7、計(jì)算機(jī)通過(guò) NTP 完成和時(shí)間服務(wù)器的「自動(dòng)校準(zhǔn)」，我們的應(yīng)用程序基于此，才得以獲取到準(zhǔn)確的時(shí)間。

8、NTP 服務(wù)應(yīng)該采用潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的方式同步時(shí)間，避免時(shí)間發(fā)生「倒流」。

后記

這篇文章是我有史以來(lái)，最難寫(xiě)的一篇，因?yàn)槠渲杏写罅靠破疹愔R(shí)，涉及范圍之廣遠(yuǎn)超我的想象。

在寫(xiě)這篇文章時(shí)，我至少閱讀了 30 篇以上的資料，很多時(shí)候會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)很小的細(xì)節(jié)，又深挖出更多相關(guān)的領(lǐng)域的知識(shí)，讓我目不暇接。

例如，銫原子的振動(dòng)頻率是怎么測(cè)量的？為什么能測(cè)量得這么精確？各個(gè)國(guó)家的原子鐘為什么會(huì)有差異？計(jì)算機(jī)是如何處理閏秒的？時(shí)區(qū)是怎么來(lái)的？本初子午線是什么？...

很多細(xì)節(jié)我其實(shí)并沒(méi)有展開(kāi)來(lái)講，我已盡力避開(kāi)講那些晦澀難懂的物理知識(shí)，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(xì)節(jié)你沒(méi)有讀懂，可以先嘗試多讀幾遍，也可以與我進(jìn)一步交流。

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

我們?cè)趯?xiě)代碼時(shí)，看似調(diào)用了一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)間 API，可曾想過(guò)，背后卻是人類多少年來(lái)的智慧結(jié)晶。希望這篇文章能解答你對(duì)時(shí)間的種種疑惑。