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# 春节加餐｜深入聊一聊计算机系统的时间
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你好，我是陈现麟。
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在专栏“概述篇”第二节课“新的挑战”里，我们讨论过分布式系统在时钟上面临的挑战，今天这期春节加餐，我还会和你深入地聊一聊计算机系统的时间。
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在计算机系统中，时间是一个非常重要的概念，首先它深刻影响着分布式系统的设计。如果我们想要了解如何简化分布式系统的设计，要先从单机系统的时间问题出发。举个例子来说，在构建分布式系统的时候，如果我们能在每个单机系统中，都获得精确的时间点或时间范围，就能大大简化分布式事务等相关的设计。
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其次，在时间方面，分布式系统存在多时钟的问题，理解这个问题之前，也需要先了解单机系统的时间问题。**所以，为了让你深入地了解计算机系统的时间，我们就从单机计算机系统的层面来讨论时间，等你理解以后，再学习分布式系统的时候，就会事半功倍了。**
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在计算机系统内部，主要有两种时钟：墙上时钟和单调时钟，它们都可以衡量时间，但却有本质的区别。在这节课中，我将带你了解两种时钟的相关知识，其中的墙上时钟是本节课的重点部分，然后我们再一起探讨如何对两种时钟进行管理。
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## 墙上时钟
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学习墙上时钟的相关知识，我们要先从墙上时钟的同步入手，了解时间同步出现误差的原因以及现有的解决方案，之后再分析闰秒出现的原因，以及闰秒的处理方式，最后我们会根据处理方式中的“跳跃式调整”的处理逻辑，来分析2012年一个 Linux 服务器宕机的案例。
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墙上时钟又叫钟表时间，顾名思义，和我们平时使用的钟表的时间一样，表示形式为日期与时间。在 Linux 系统中，墙上时钟的表示形式为 UTC 时间，记录的是自公元 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒以来的秒数和毫秒数（不含闰秒）。
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Linux 系统需要处理闰秒的逻辑就是因为 Linux 系统使用 UTC 时间，但是系统中记录的 UTC 时间是不含闰秒的。
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### 墙上时钟的同步
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根据墙上时钟的定义，我们可以发现，墙上时钟的标准是在计算机外部定义的，所以确保墙上时钟的准确性就变成了一个问题。计算机内部的计时器为石英钟，但是它不够精确，随着机器的温度波动，会存在过快或者过慢的问题，**所以依靠计算机自身，来维持墙上时钟的准确性是不可能的，这就是计算机系统内的时间需要与外部时间进行同步的原因**。
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目前普遍采取的一种方式为：计算机与 NTP 时间服务器定期通过网络同步。很明显，这个方式受限于网络时延的影响，一般来说，至少会有 35 毫秒的偏差，最大的时候可能会超过 1 秒。
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在一些对时间精度要求很高的系统中，通过 NTP 进行同步是远远不够的，这时我们可以通过 GPS 接收机，接收标准的墙上时钟，然后在机房内部通过精确时间协议（ PTP ）进行同步。 PTP 是一种高精度时间同步协议，可以达到亚微秒级精度，有资料说可达到 30 纳秒左右的偏差精度，但是它需要网络的节点（交换机）支持 PTP 协议，才能实现纳秒量级的同步。
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在时间同步这个问题上， Google 的做法更酷，通过 GPS 接收机，接收标准的墙上时钟，然后通过机房内部去部署原子钟，使得它的精度可以达到每 2000 万年才误差 1 秒，用这种方式来防止 GPS 接收机的故障。
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接着，再把这些时间协调装置连接到特定数量的主服务器，最后再由主服务器，向整个谷歌网络中运行的其他计算机传输时间读数，即 TrueTime API 。 Google 正是基于上面的时间精度保证，在此基础上实现了第一个可扩展的、全球分布式的数据库 Spanner。
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### 闰秒出现的原因
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从上述的讨论中，我们可以知道计算机的墙上时钟通过同步机制，确保时间的误差会保持在一个范围以内。虽然它保证了时间精度，但是因为 Linux 系统中，墙上时钟的表示形式为 UTC 时间，而 UTC 时间是不含闰秒的，所以如何处理闰秒就成为了一个重要的问题，那么我们先来想想闰秒出现的原因。
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**因为地球自转速率变慢，所以目前的两种时间计量系统：世界时和原子时，它们之间发生了误差，这就是闰秒出现的根本原因**，下面我们就从世界时和原子时这两方面，具体来分析一下。
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世界时（ UT1 ）以地球自转运动来计量时间，它定义地球自转一周为一天，绕太阳公转一周为一年，这对人们的日常生活非常重要。但是，因为地球自转速率正在变慢，世界时的秒长就会有微小的变化，每天会长千分之几秒，也就是说，后一天的 24 小时会比前一天的 24 小时要长千分之几秒，所以用世界时来度量时间，会出现均匀性非常不好的问题。
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原子时取微观世界的铯原子中，两个超精细能级间的跃迁辐射频率来度量时间，精确度非常高，每天快慢不超过千万分之一秒。所以，原子时的均匀性非常好，是度量时间的理想尺度。
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可是，原子时与地球空间位置无关，由于地球自转速率正在变慢，如果在某地区使用原子时，从今天开始计时，那么原子时到了明天凌晨 0：00 的时候，地球还需要等千分之几秒才自转完一周。这样一天一天地累积，就会出现原子时到了凌晨 0：00 这个时候，太阳还在地球正上空的情况，这显然是不符合常识的。
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所以，为了统一原子时与世界时之间的差距，协调世界时（ UTC ）就产生了。从 1972 年 1 月 1 日 0 时起，协调世界时秒长采用原子时秒长，时刻与世界时的时刻之差保持在正负 0.9 秒之内，必要时用阶跃 1 整秒的方式来调整。
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**这个 1 整秒的调整，叫做闰秒，如果增加 1 秒就是正闰秒，减少 1 秒就是负闰秒**。 UTC 从 1972 年 1 月起正式成为国际标准时间，它是原子时和世界时这两种时间尺度的结合。
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### 闰秒的处理
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因为 Linux 系统记录着，自公元 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒以来的秒数和毫秒数，但是不含闰秒这种情况，导致了在 Linux 系统中每分钟有 60 秒，每天有 86400 秒是系统定义死的。
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所以 Linux 系统需要额外的逻辑来处理闰秒。目前处理闰秒的方式主要有两种，一种是在 Linux 系统上进行跳跃式调整，另一种是在 NTP 服务上进行渐进式调整的 Slew 模型，下面我们具体讲一讲这两种处理逻辑。
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#### 跳跃式调整
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首先是在 Linux 系统上进行跳跃式调整，当 UTC 时间插入一个正闰秒后，Linux 系统需要跳过 1 秒，即这一秒时间过去后，在 Linux 的时间管理程序中不应该去计时，因为闰秒的这一秒钟在 Linux 系统中不能被表示。
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但是，当 UTC 时间插入一个负闰秒后，Linux 系统就需要插入 1 秒，即 Linux 的时间管理程序中要增加 1 秒钟的计时。虽然并没有过去 1 秒钟的时间，但是闰秒的这一秒钟在 Linux 系统中是不存在的。
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目前 Linux 系统就是采用这种方式来处理闰秒的，所以在 2012 年 6 月 30 日, UTC 时间插入一个正闰秒的时候，Linux 系统会启动相应的逻辑来处理这个插入的正闰秒，这样就使某些版本的闰秒处理逻辑，触发了一个死锁的 bug，造成了大规模的 Linux 服务器内核死锁而宕机的情况。
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#### Slew 模式
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NTP 服务的 Slew 模式并不使用跳跃式修改时间，而是渐进式地调整。比如，当 UTC 时间需要插入一个正闰秒时， NTP 服务就会每秒调整一定的 ms 来缓慢修正时间。这样 Linux 系统从 NTP 服务同步时间的时候，就不会感知闰秒的存在了，内核也就不需要启动闰秒相关的逻辑了。
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## 单调时钟
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关于墙上时钟，我们主要讨论的是如何进行时间同步，确保时间精度的问题，而计算机系统中的第二种时钟，**单调时钟是一个相对时钟，不需要与外部的时钟进行同步，较墙上时钟要简单很多**，所以这里我们就简单地分析一下。
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单调时钟总是保证时间是向前的，不会出现墙上时钟的回拨问题，所以它非常适合用来测量持续时间段，比如在一个时间点读取单调时钟的值，完成某项工作后再次获得单调时钟的值，时钟值之差就是两次检测之间的时间间隔。
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到这里，我们可以看出，墙上时钟是绝对时钟，不同计算机节点上的墙上时间可以进行比较，但是它是有误差的，导致比较的结果不可信；而单调时钟是相对时钟，它的绝对值没有任何意义，有可能是计算机自启动以后经历的纳秒数等，所以，比较不同计算机节点上的单调时钟的值是没有意义的。这两点正是分布式系统面临时钟的问题。
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## 时间的管理
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前面我们讨论了墙上时钟和单调时钟，你一定很好奇操作系统内部是如何处理时间的，这里你可以先思考两个问题，我们带着问题再具体讨论。第一个问题是：计算机系统是没有时间概念的机器，那么它怎么来计算与管理时间呢？另一个问题是：计算机系统可以提供微秒甚至纳秒，那么它怎么处理这么高精度的时间呢？
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首先，时间的概念对于计算机来说有些模糊，计算机必须在硬件的帮助下才能计算和管理时间。前面说的石英钟就是用来做计算机的系统定时器的，系统定时器以某种固定的频率自行触发时钟中断。由于时钟中断的频率是编程预定的，所以内核知道连续两次时钟中断的间隔时间，这个间隔时间就叫做节拍。**通过时钟中断，内核周期性地更新系统的墙上时钟和单调时钟，从而计算和管理好时间。**
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其次，目前系统定时器的中断频率为 1000 HZ，那么计算机能处理的时间精度为 1 ms。然而很多时候需要更加精确的时间，比如 1 微秒，计算机是怎么来解决这个问题的呢？
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其实解决的方式非常简单，在每一次计算机启动的时候，计算机都会计算一次 BogoMIPS 的值，这个值的意义是，**处理器在给定的时间内执行指令数，通过 BogoMIPS 值，计算机就可以得到非常小的精度了**。
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比如在 1 秒内，计算机执行了 N 条指令，那么计算机的精度就可以达到 N 分之一秒。很明显 N 是一个非常大的数目，因此计算机可以得到非常精确的时间了。
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## 总结
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在这节课中，我们从计算机系统内部的两种时钟出发，深入地讨论了时间相关的话题。在墙上时钟这部分，我们讨论了计算机系统时间同步的方式，分析了闰秒产生的原因，以及 Linux 系统应对闰秒的办法，然后概览性地讲了 Linux 系统是通过时钟中断进行时间的计算与管理的，最后分析了 Linux 系统可以提高时间精度的方法。
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## 思考题
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计算机历史上的“千年虫”问题你了解过吗？它和时间有关系吗？
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