【Linux基础】Linux中的时区和时间
基本概念
首先介绍Linux中会用到的时间概念：
UTC：Universal Time Coordinated，协调世界时，又称世界统一时间，世界标准时间，国际协调时间。它是一个与时区相关的时间，目前将世界时区分为24个。UTC跟GMT（Greenwich Mean Time，格林威治时间）一致，因为格林威治位于0时区，UTC时间即是0时区的时间。中国位于东八区，所以对应的时间是UTC时间加8小时，即UTC+8，也称为CST（China Standard Time）。UTC倾向于跟标准相关的时间。
RTC：Real Time Clock，实时时钟。RTC和UTC不是一个概念上的时间，RTC通常指的是硬件系统中的一个计时芯片，它将时间保存在CMOS（可以认为是一种非易失介质）中，而CMOS通过电池可以保持数据不丢失，因此在系统没有上电的情况下（RTC由电池供电）也还会正常更新时间。操作系统启动时会查看这个时间，也可以同步这个时间。RTC倾向于跟硬件相关的时间。
时间戳：指的是从当前时间到某个标准时间点经历的秒数，这里的标准时间点通常是指1970年1月1日0时0分0秒，这个时间点也被称为Epoch。时间戳是一个相对的时间值，倾向于跟软件相关。
Linux下查看时间
Linux可以通过命令查看上述的时间，下面是在Ubuntu18.04（本文后续所有内容都在该版本下做测试）中执行的结果：
- 首先是获取本地时间：
root@ubuntu:~# date
2023年 01月 07日 星期六 23:18:21 CST
这里的CST表示的就是前面提到的China Standard Time，就是东八区时间，也是我所在地的时间。
通过增加-u参数可以查看UTC时间：
root@ubuntu:~# date -u
2023年 01月 07日 星期六 15:19:28 UTC
可以看到这里的后缀已经从CST变成了UTC时间。因为UTC是标准时间，所以一般的Linux命令都可以获取到它。
另外date命令也可以查看时间戳：
root@ubuntu:~# date +%s
1673106588
注意时间戳是没有时区概念的，它只是从1970年1月1日0时0分0秒到当前时间的秒数。
- 之后查看RCT时间，它主要通过hwclcok命令来完成：
root@ubuntu:~# hwclock
2023-01-07 23:20:37.664556+0800
root@ubuntu:~# hwclock -l
2023-01-07 15:20:46.242465+0800
root@ubuntu:~# hwclock -u
2023-01-07 23:20:59.633316+0800
注意上述的3条命令，对比date命令中的-u参数，得到的结果可能会让人误解。因为hwclock以及加上-u参数，得到的都是本地时间，而加上-l（表示localtime）得到的才是真的RTC时间。
查看hwclock命令的参数说明：
Options:
-u, --utc the RTC timescale is UTC
-l, --localtime the RTC timescale is Local
实际上这里的-u表示的是假设RTC里面保存的是UTC时间，那么本地时间就应该要增加8个小时（因为我在东八区），而-l表示的是假设当前RTC时间就是本地时间，所以就直接显示出来了，这句话还隐含着一个意思就是RTC时间就是2023-01-07 15:20:46.242465+0800。这个可以通过增加--debug参数看到进一步的内容：
root@ubuntu:~# hwclock --debug
hwclock from util-linux 2.31.1
System Time: 1673105261.476314
Trying to open: /dev/rtc0
Using the rtc interface to the clock.
Assuming hardware clock is kept in UTC time. # 注意这里假设RTC中保存的是UTC时间
Waiting for clock tick...
...got clock tick
Time read from Hardware Clock: 2023/01/07 15:27:42
Hw clock time : 2023/01/07 15:27:42 = 1673105262 seconds since 1969
Time since last adjustment is 1673105262 seconds
Calculated Hardware Clock drift is 0.000000 seconds
2023-01-07 23:27:41.040147+0800
注意这里有一句Assuming hardware clock is kept in UTC time.，也就是前面说的假设RTC里面保存的是UTC时间。如果加上-l参数，显示的DEBUG信息是：
root@ubuntu:~# hwclock -l --debug
hwclock from util-linux 2.31.1
System Time: 1673106076.977518
Trying to open: /dev/rtc0
Using the rtc interface to the clock.
Assuming hardware clock is kept in local time. # 注意这里假设RTC中保存的是本地时间
Waiting for clock tick...
...got clock tick
Time read from Hardware Clock: 2023/01/07 15:41:17
Hw clock time : 2023/01/07 15:41:17 = 1673077277 seconds since 1969
Time since last adjustment is 1673077277 seconds
Calculated Hardware Clock drift is 0.000000 seconds
2023-01-07 15:41:16.539634+0800
- 最后还有一个命令可以同时显示多个时间：
root@ubuntu:~# timedatectl
Local time: 六 2023-01-07 23:42:12 CST
Universal time: 六 2023-01-07 15:42:12 UTC
RTC time: 六 2023-01-07 15:42:11
Time zone: Asia/Shanghai (CST, +0800)
System clock synchronized: yes
systemd-timesyncd.service active: yes
RTC in local TZ: no
这里可以看到本地时间，UTC时间，RTC时间还有时区等等内容。
本节主要介绍如何查看时间，后面会介绍具体的代码实现，比如RTC时间如何获取，如何转换成本地时间，等等。
时区
Linux中的时区主要通过一个文件来表示，这个文件是/etc/localtime，其中包含了Linux系统的时区信息：
root@ubuntu:~# ls -al /etc/localtime
lrwxrwxrwx 1 root root 33 1月 7 23:20 /etc/localtime -> /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai
注意这里的/etc/localtime只是一个链接，查看被链接文件所在的目录：
root@ubuntu:~# ls /usr/share/zoneinfo/
Africa Cuba GMT0 Japan Pacific Turkey
America EET GMT-0 Kwajalein Poland UCT
Antarctica Egypt GMT+0 leap-seconds.list Portugal Universal
Arctic Eire Greenwich Libya posix US
Asia EST Hongkong localtime posixrules UTC
Atlantic EST5EDT HST MET PRC WET
Australia Etc Iceland Mexico PST8PDT W-SU
Brazil Europe Indian MST right zone1970.tab
Canada Factory Iran MST7MDT ROC zone.tab
CET GB iso3166.tab Navajo ROK Zulu
Chile GB-Eire Israel NZ Singapore
CST6CDT GMT Jamaica NZ-CHAT SystemV
这里包含了所有的时区相关的文件，这些文件被称为ztfile，可以在Linux查看：
TZFILE(5) Linux Programmer's Manual TZFILE(5)
NAME
tzfile - timezone information
DESCRIPTION
The timezone information files used by tzset(3) are typically found
under a directory with a name like /usr/share/zoneinfo. These files
begin with a 44-byte header containing the following fields:
# 后面略
所以为了修改Linux系统的时区，只需要修改/etc/localtime链接的文件就可以了：
root@ubuntu:~# date
2023年 01月 07日 星期六 23:54:06 CST # 北京时间
root@ubuntu:~# ln -sf /usr/share/zoneinfo/Asia/Tokyo /etc/localtime # 链接到东京时间
root@ubuntu:~# date
2023年 01月 08日 星期日 00:54:43 JST # 时间发生了变化
除了直接修改链接，Ubuntu还提供了额外的配置方式，这需要使用dpkg-reconfigure工具，对应的命令：
root@ubuntu:~# dpkg-reconfigure tzdata
执行命令之后会显示一个图形界面：
选择对应的时区所在地点之后会直接退出，并显示如下的内容：
root@ubuntu:~# dpkg-reconfigure tzdata
Current default time zone: 'Asia/Shanghai'
Local time is now: 2023年 01月 07日 星期六 23:59:18 CST.
Universal Time is now: Sat Jan 7 15:59:18 UTC 2023.
表明修改已经成功，再次查看/etc/localtime：
root@ubuntu:~# ls -al /etc/localtime
lrwxrwxrwx 1 root root 33 1月 7 23:59 /etc/localtime -> /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai
可以看到时区已经修改回去了。
当然如果使用的是Ubuntu的图形界面，显然可以直接在设置中修改：
代码实现
代码下载
下面介绍Linux时间命令的具体实现，为此首先需要下载对应的代码，以hwclock为例（它的代码实现中已经包含了UTC、RTC、时间戳等相关的内容，而系统调用相关的代码将在时间相关的系统调用介绍），该命令属于util-linux 2.31.1的一部分：
root@ubuntu:~# hwclock -v
hwclock from util-linux 2.31.1
所以要下载util-linux的源码。在Ubuntu中下载源码，需要两步操作：
- 修改/etc/apt/sources.list文件，需要取消deb-src开头语句的注释，比如：
# deb cdrom:[Ubuntu 18.04.4 LTS _Bionic Beaver_ - Release amd64 (20200203.1)]/ bionic main restricted
# See http://help.ubuntu.com/community/UpgradeNotes for how to upgrade to
# newer versions of the distribution.
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ bionic main restricted
deb-src http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu/ bionic main restricted # 取消注释
## Major bug fix updates produced after the final release of the
## distribution.
deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu/ bionic-updates main restricted
deb-src http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu/ bionic-updates main restricted # 取消注释
修改之后执行apt update更新库。
- 通过如下的命令下载源码：
root@ubuntu:/home/jw/code# apt source util-linux
Reading package lists... Done
NOTICE: 'util-linux' packaging is maintained in the 'Git' version control system at:
https://salsa.debian.org/debian/util-linux.git
Please use:
git clone https://salsa.debian.org/debian/util-linux.git
to retrieve the latest (possibly unreleased) updates to the package.
Need to get 4,620 kB of source archives.
Get:1 http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu bionic-updates/main util-linux 2.31.1-0.4ubuntu3.7 (dsc) [4,122 B]
Get:2 http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu bionic-updates/main util-linux 2.31.1-0.4ubuntu3.7 (tar) [4,514 kB]
Get:3 http://us.archive.ubuntu.com/ubuntu bionic-updates/main util-linux 2.31.1-0.4ubuntu3.7 (diff) [102 kB]
Fetched 4,620 kB in 4s (1,115 kB/s)
dpkg-source: info: extracting util-linux in util-linux-2.31.1
# 中间略
W: Download is performed unsandboxed as root as file 'util-linux_2.31.1-0.4ubuntu3.7.dsc' couldn't be accessed by user '_apt'. - pkgAcquire::Run (13: Permission denied)
这样源码就下载到了/home/jw/code/util-linux-2.31.1目录下（有报错但是不影响代码下载）。
hwclock
查看hwclock命令的实现，它位于sys-utils/hwclock.c，其主要的代码（仅以读操作为例）：
if (!ctl.noadjfile && !(ctl.systz && (ctl.utc || ctl.local_opt))) {
if ((rc = read_adjtime(&ctl, &adjtime)) != 0)
hwclock_exit(&ctl, rc);
} else
/* Avoid writing adjtime file if we don't have to. */
adjtime.dirty = 0;
ctl.universal = hw_clock_is_utc(&ctl, adjtime);
rc = manipulate_clock(&ctl, set_time, startup_time, &adjtime);
函数流程主要是：
-
read_adjtime()函数默认获取/etc/adjtime文件，它用来获取时间调整信息，不过Ubuntu下没有这个文件。 -
hw_clock_is_utc()依赖于前面的read_adjtime()函数，不过由于不存在，所以传入的参数是默认的，其实现如下：
static int
hw_clock_is_utc(const struct hwclock_control *ctl,
const struct adjtime adjtime)
{
int ret;
if (ctl->utc) // 对应-u参数
ret = 1; /* --utc explicitly given on command line */
else if (ctl->local_opt) // 对应-l参数
ret = 0; /* --localtime explicitly given */
else
/* get info from adjtime file - default is UTC */
// 不带参数时，通过/etc/adjtime获取值，默认是UTC值为0，而LOCAL的值是1，所以最终ret=1
ret = (adjtime.local_utc != LOCAL);
if (ctl->debug)
printf(_("Assuming hardware clock is kept in %s time.\n"),
ret ? _("UTC") : _("local"));
return ret;
}
从这里可以看出来，执行hwclock命令时，不带参数和带-u参数是相同的显示，这与前面执行命令的结果是一致的。该函数的返回值被赋值给如下的变量：
ctl.universal = hw_clock_is_utc(&ctl, adjtime);
这个变量在后面会使用到，而它的值，在当前的Ubuntu系统下，如果不带参数或者带了-u参数就是1，否则是0。
manipulate_clock()执行了最主要的时间操作，其执行代码如下：
read_hardware_clock()的实现可以参看RTC时间。mktime_tz()的实现如下：
static int
mktime_tz(const struct hwclock_control *ctl, struct tm tm,
time_t *systime_p)
{
int valid;
if (ctl->universal)
*systime_p = timegm(&tm);
else
*systime_p = mktime(&tm);
if (*systime_p == -1) {
/*
* This apparently (not specified in mktime() documentation)
* means the 'tm' structure does not contain valid values
* (however, not containing valid values does _not_ imply
* mktime() returns -1).
*/
valid = 0;
if (ctl->debug)
printf(_("Invalid values in hardware clock: "
"%4d/%.2d/%.2d %.2d:%.2d:%.2d\n"),
tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec);
} else {
valid = 1;
if (ctl->debug)
printf(_
("Hw clock time : %4d/%.2d/%.2d %.2d:%.2d:%.2d = "
"%ld seconds since 1969\n"), tm.tm_year + 1900,
tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday, tm.tm_hour, tm.tm_min,
tm.tm_sec, (long)*systime_p);
}
return valid;
}
这里关键是前面提到的ctl->universal，它的值来自hw_clock_is_utc()函数的返回值，根据不同的值会执行不同的分支函数：这里的mktime()是系统函数（参见mktime()），而timegm()的实现：
time_t timegm(struct tm *tm)
{
const char *zone = getenv("TZ");
time_t ret;
setenv("TZ", "", 1);
tzset();
ret = mktime(tm);
if (zone)
setenv("TZ", zone, 1);
else
unsetenv("TZ");
tzset();
return ret;
}
可以看到它其实也调用了mktime()函数，只不过在调用前后还会额外执行tzset()函数（它也是系统调用），来做时区相关的操作。
由于mktime()（参见tzset()）受到TZ变量的影响，而将TZ变量设置为空实际上就是使用UTC时间，所以最终这里得到的时间戳是1970年1月1日0时0分0秒当UTC时间的秒数，而没有设置TZ（不同于设置为空），则得到的是1970年1月1日0时0分0秒到本地时间的秒数。这最终导致mktime_tz()得到不同的值，也是-l和-u参数的差异体现。
calculate_adjustment()函数也与/etc/adjtime文件有关，由于Ubuntu没有该文件，这里不做介绍。- 最后是
display_time()函数，该函数就是打印结果。
以上就是hwclcok命令显示时间的简单介绍，需要说明的是hwclcok不仅可以查看时间，还可以同步时间，不过这个不在本文的介绍范围中。
RTC时间
关于RTC时间的实现，可以直接参考hwclock命令的源代码util-linux-2.31.1，其实现在sys-utils\hwclock-rtc.c：
static int read_hardware_clock_rtc(const struct hwclock_control *ctl,
struct tm *tm)
{
int rtc_fd, rc;
rtc_fd = open_rtc_or_exit(ctl);
/* Read the RTC time/date, return answer via tm */
rc = do_rtc_read_ioctl(rtc_fd, tm);
return rc;
}
open_rtc_or_exit()函数打开/dev/rtc0这个设备：
root@ubuntu:~# ll /dev/rtc0
crw------- 1 root root 249, 0 1月 7 23:17 /dev/rtc0
而do_rtc_read_ioctl()通过ioctl()函数来获取参数：
static int do_rtc_read_ioctl(int rtc_fd, struct tm *tm)
{
int rc = -1;
char *ioctlname;
ioctlname = "RTC_RD_TIME";
rc = ioctl(rtc_fd, RTC_RD_TIME, tm);
if (rc == -1) {
warn(_("ioctl(%s) to %s to read the time failed"),
ioctlname, rtc_dev_name);
return -1;
}
tm->tm_isdst = -1; /* don't know whether it's dst */
return 0;
}
这样就得到了RTC时间，并存放在struct tm结构体变量中。
以下是自己写的一个示例代码：
#include 注意RTC中的时间存放跟1970年1月1日0时0分0秒并没有直接关系，所以可以看到比如年份并不是按照1970年为基准，而是以1900年为基准，这个是跟RTC驱动的时间有关的。
编译执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# gcc rtc.c
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# date -u
2023年 01月 08日 星期日 08:57:50 UTC
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
2023-1-8 8:57:54
可以看到直接得到的时间是UTC时间。
另外注意执行生成文件需要root权限，否则无法打开RTC设备。
时间相关的系统调用
asctime()
函数原型：
#include 返回一个表示时间的字符串。该函数本身跟时区是没有关系。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
local time 1: 2023-1-8 18:29:16
local time 2: Sun Jan 8 18:29:16 2023
这里的空行是执行程序的结果，也就是说asctime()函数的返回值自带了换行。
ctime()
函数原型：
#include 返回一个表示当地时间的字符串，当地时间是基于调用time()函数得到的值。该函数与时区有关。
这个函数跟asctime()差不多，只是入参不同。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
local time: Sun Jan 8 18:11:25 2023
这里的空行是执行程序的结果，也就是说ctime()函数的返回值自带了换行。
localtime()
函数原型：
#include 该函数使用timer()得到的值来填充struct tm结构，得到的时间跟时区有关。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
2023-1-8 18:16:11
mktime()
函数原型：
#include 该函数将时间转换为自1970年1月1日0时0分0秒以来持续时间的秒数，发生错误时返回-1。
转换与时区信息有关。
mktime()和localtime()完成相反的操作。
代码示例参见tzset()。
strftime()
函数原型：
#include 根据format中定义的格式化规则，格式化结构timeptr表示的时间，并把它存储在str中。该函数本身跟时区是没有关系。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
local time 1: 2023-1-8 18:24:9
local time 2: 2023-01-08 18:24:09
localtime()和strftime()的作用差别不大。
time()
函数原型：
#include 返回从1970年1月1日0时0分0秒到UTC时间的秒数，它是跟时区无关的。
time_t类型可以认为就是一个足够存放时间戳的整型。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
timestamp: 1673172383
timestamp: 1673172383
可以看到入参和返回值其实得到的是同一个值。
tzset()
函数原型：
#include 该函数通过TZ变量的值来设置时间转换信息，这些信息会被ctime()，localtime()，mktime()这些函数使用到。
示例代码：
int main(void)
{
const char *zone = getenv("TZ");
struct tm tm;
time_t ret1, ret2;
// 获取RTC时间
if (-1 != read_hardware_clock(&tm)) {
printf("%d-%d-%d %d:%d:%d\n",
tm.tm_year + 1900,
tm.tm_mon + 1,
tm.tm_mday,
tm.tm_hour,
tm.tm_min,
tm.tm_sec);
} else {
return 1;
}
// 这里将TZ变量设置成空（注意不是不设置），默认就是UTC
setenv("TZ", "", 1);
tzset();
ret1 = mktime(&tm);
if (-1 == ret1) {
printf("mktime failed.\n");
} else {
printf("timestamp1: %ld\n", ret1);
}
// 这里将TZ变量设置成东八区
setenv("TZ", "GMT+8", 1);
tzset();
ret2 = mktime(&tm);
if (-1 == ret2) {
printf("mktime failed.\n");
} else {
printf("timestamp2: %ld\n", ret2);
}
printf("timestamp diff: %ld\n", ret2 - ret1);
if (zone) {
setenv("TZ", zone, 1);
} else {
unsetenv("TZ");
}
tzset();
return 0;
}
执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
2023-1-8 9:14:42
timestamp1: 1673169282
timestamp2: 1673198082
timestamp diff: 28800
可以看到修改TZ变量会影响到mktime()的输出结果，这在前面已经提到过，这里也证实了。
clock_gettime()
函数原型：
#include 获取时间，相比time()有更高的精度。出错时返回-1。
clk_id有以下的取值：
- CLOCK_REALTIME：指系统时间，随着时间的改变而改变，该时间可以被用户改变；
- CLOCK_MONOTONIC：从系统启动这一刻起开始计时，不受系统时间被用户改变的影响；
- CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID：本进程到当前代码系统CPU花费的时间；
- CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID：本线程到当前代码系统CPU花费的时间。
struct timespec结构体如下：
/* POSIX.1b structure for a time value. This is like a `struct timeval' but
has nanoseconds instead of microseconds. */
struct timespec
{
__time_t tv_sec; /* Seconds. */
__syscall_slong_t tv_nsec; /* Nanoseconds. */
};
tv_sec就1970年1月1日0时开始的秒数，tv_nsec是减去秒数之后剩余的纳秒数。可以看出来该函数能够得到更精确的值。
CLOCK_MONOTONIC的代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 13313, Nanoseconds = 750102347
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 13316, Nanoseconds = 882621059
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 13317, Nanoseconds = 878984060
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 13318, Nanoseconds = 697109581
可以看到时间是递增的，它表示的时间其实是系统开机之后的秒数和纳秒数。
CLOCK_REALTIME的代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 1673178349, Nanoseconds = 746923431
Seconds = 1673178349
从这里可以跟清楚地看到clock_gettime()和time()获取到的时间的关系。
clock_settime()
函数原型：
#include 设置时间。参数跟clock_gettime()一样。出错时返回-1。
代码示例：
#include 执行的结果：
root@ubuntu:/home/jw/code/Linux/Examples# ./a.out
Seconds = 1673179056, Nanoseconds = 199134