【LinuxC】时间、时区，相关命令、函数

一、序

1.1 时间和时区

1.11 时间

时间是一种用来描述物体运动变化的量，它可以用光的运动路程与常数c的比值来定义。不同的物体或观察者可能感受到不同的时间流逝速度，这就是相对论中的时间膨胀效应…

时间中存在许多特殊的概念，其中一些是与日历、日期和时间测量相关的。以下是一些常见的特殊时间概念：

1. 闰年（Leap Year）：为了与地球的自转周期相匹配，每四年有一个闰年。闰年有366天，而不是普通年份的365天。2月份会多出一天，变成29天。

2. 闰秒（Leap Second）：为了保持协调世界时（UTC）与国际原子时（TAI）之间的同步，不定期地会插入闰秒。这意味着某一天会有额外的一秒，通常在UTC的最后一分钟插入。

3. 夏令时（Daylight Saving Time）：一些国家和地区在夏季将时钟向前调整一小时，通常在春季开始，秋季结束。这旨在节约能源，延长白天的活动时间。

4. 格林尼治标准时间（Greenwich Mean Time，GMT）：以英国伦敦的格林尼治皇家天文台为基准的时间标准。UTC现在通常被视为国际时间标准，但GMT仍然用于某些上下文中。

5. 纪元（Epoch）：纪元是一个特定日期或时间点，通常用作计算机系统中时间的起点。例如，UNIX操作系统使用1970年1月1日午夜（格林尼治时间）作为纪元。

6. 星期：星期是一周的周期性单位，通常有七天。星期中的每一天都有自己的名称（如星期一、星期二）和缩写（如周一、周二）。

7. 季节：季节是一年中的四个时期，分别是春季、夏季、秋季和冬季。季节的开始和结束时间因地理位置而异。

8. 日落和日出：日落是太阳在地平线以下消失的时间点，日出是太阳在地平线上升起的时间点。这些时间在不同季节和地点有所变化。

9. 时间戳（Timestamp）：时间戳是一个特定时间点的表示，通常以秒数或毫秒数等形式存在。时间戳在计算机系统中用于记录事件和操作的时间信息。

这些特殊的时间概念在日常生活、科学、计算机编程和全球协调等方面都有重要作用，它们帮助我们精确测量和记录时间，以满足各种需求和要求。

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时间标准：

时间标准	定义	特点
TAI	国际原子时，是一种使用约400个高精度原子钟的组合输出来测量的时间尺度	提供了我们的时钟应该走的准确速度
UTC	协调世界时，是一种用来确定世界各地本地时间的时间尺度。它由两个部分组成：TAI和UT1	由于地球自转速度的变化，导致UTC和TAI之间会有差异。为了保持UTC和UT1之间的差异不超过0.9秒，会在UTC中加入或减去闰秒
UT1	世界时，也称为天文时间，指的是地球的自转。它用来比较TAI提供的速度和地球上一天的实际长度	受到地球自转速度变化、地震、潮汐等因素的影响
GMT	格林威治标准时间，指的是位于伦敦郊区的皇家格林威治天文台的标准时间，因为本初子午线被定义在通过那里的经线	UTC和GMT可以视为无差别，GMT是以原子时计时，更加精准，一般使用不需要精确到秒时，视为等同

1.12 时区

地球被分为24个时区，每个时区代表地球上一个特定的经度范围。时区的目的是在地球上的不同地方保持相对一致的时间，以便协调跨越多个地理区域的活动。

这很好理解，地球是球体，太阳无法同时照亮，各地太阳照射角度也不同

时区的概念起源于铁路和电报的发展。19世纪中期，铁路和电报使信息和人员快速传输变得可能，但不同城市使用不同的本地时间，这导致了混乱。因此，国际时间会议于1884年召开，决定将地球划分为24个时区，每个时区相差15度经度。

全球大部分地区都采用了这个时区系统，但还有一些例外，如印度和新尼泊尔时区，它们使用不同的偏移量。此外，一些国家也采用夏令时制度，以调整时钟以节省能源。

除了日常生活以外。当你购买一个国外其他时区的服务器，在上面部署某些服务时，就就有可能会遇到时区未正确设置而无法运行的情况；或者一种常见的情况是：电脑时间（时区）不正确时，浏览器和应用程序可能会无法联网。

时区24个，相邻时区时间差一个小时。但是很多国家国土会跨越多个时区（比如上海已经晚上了，而新疆太阳还没下山），为了避免混乱，国家会设置一个单一的时间标准。比如中国标准时间（China Standard Time，CST），也称为北京时间（Beijing Time，BT）。

如上图，东半球时间通常早于西半球。东半球和西半球之间的时间分界线是称为国际日期变更线（International Date Line，IDL）。国际日期变更线是一条虚拟的线，它沿着地球东西走向，大致沿着经度180度附近的线路。这个线上的一侧被认为是东半球，另一侧被认为是西半球。

1.2 查看时间时区的命令

1.21 Windows

图形界面不说了。

• tzutil 是 Windows 系统中用于查看和设置时区的命令行工具：
  • tzutil /g：查看本地计算机当前的时区。
  • tzutil /l：查看所有有效的时区 ID 及其名称。
  • tzutil /s <timezoneid>：设置本地计算机的时区为指定的 ID。
• date 和 time 是 Windows 系统中用于查看和修改日期和时间的命令行工具：
  • date：查看或修改本地计算机当前的日期。
  • time：查看或修改本地计算机当前的时间。
  • date /t：只查看本地计算机当前的日期，不进行修改。
  • time /t：只查看本地计算机当前的时间，不进行修改。

1.22 Linux

自己查看帮助手册，获取更多参数。

1. 查看当前时间：

   • 使用 date 命令来查看当前系统的时间。

   date
   

2. 查看当前日期：

   • 使用 date 命令并指定格式选项 -d 来查看当前系统的日期。

   date -d
   

3. 查看当前时区：

   • 使用 timedatectl 命令来查看当前的时区设置。

   timedatectl
   

4. 查看可用的时区列表：

   • 使用 timedatectl 命令来列出系统支持的所有时区。

   timedatectl list-timezones
   

5. 更改时区：

   • 使用 timedatectl 命令来更改系统的时区设置。例如，要将时区更改为“America/New_York”：

   sudo timedatectl set-timezone America/New_York
   

6. 启用/禁用夏令时：

   • 使用 timedatectl 命令来启用或禁用夏令时。例如：

   sudo timedatectl set-timezone America/New_York
   sudo timedatectl set-local-rtc 1
   

7. 同步系统时间：

   • 使用 ntpdate 命令来手动同步系统时间与网络时间服务器。例如：

   sudo ntpdate time.nist.gov
   

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在 Linux 系统中，time 命令用于测量执行命令或程序所花费的时间。它可以帮助评估程序的性能以及执行时间。要使用 time 命令，请在终端中键入 time，然后紧跟要执行的命令。以下是示例：

time lscpu

上述命令将测量执行 lscpu 命令所需的时间，并显示三个关键时间信息：

1. real：实际经过的时间，从命令开始到完成的总时间。
2. user：CPU 用户模式时间，即命令在用户空间中花费的时间。
3. sys：CPU 内核模式时间，即命令在内核空间中花费的时间。

例如，如果执行 time lscpu 命令，会看到如下输出：

...
real    0m0.028s
user    0m0.004s
sys     0m0.024s

这表示 ls 命令实际花费了0.028秒的时间，其中0.004秒在用户模式中使用CPU，0.024秒在内核模式中使用CPU。

time 命令对于评估命令或程序的性能非常有用，特别是在优化代码或比较不同实现的执行时间时。请注意，time 命令不是用来设置系统时间或时区的命令，而是用来测量命令执行时间的工具。

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二、C语言函数

2.1 通用

2.11 函数简介

位于time.h中：

函数	函数原型	输入	输出	作用	注意点
time()	time_t time(time_t *time_ptr);	time_ptr - 一个 time_t 指针	time_t - 时间值	返回自1970年1月1日以来的秒数	用本地时间计算的
ctime()	char *ctime(const time_t *time_ptr);	time_ptr - 一个 time_t 指针	char * - 时间字符串	将时间值转换为可读的日期和时间字符串	字符串可能以换行符结尾，需要适当处理
strftime()	size_t strftime(char *str, size_t maxsize, const char *format, const struct tm *timeptr);	str - 字符数组，maxsize - 最大字符数，format - 格式化字符串，timeptr - struct tm 结构	size_t - 格式化后的字符数	将时间值格式化为自定义字符串格式	需要使用适当的格式字符串，结构体 tm 需要正确设置
gmtime()	struct tm *gmtime(const time_t *time_ptr);	time_ptr - 一个 time_t 指针	struct tm * - 时间结构体	将时间值转换为世界标准时间（UTC）的 struct tm 结构	需要注意时区和夏令时的差异，返回的结构体表示UTC时间
localtime()	struct tm *localtime(const time_t *time_ptr);	time_ptr - 一个 time_t 指针	struct tm * - 时间结构体	将时间值转换为本地时间的 struct tm 结构	时区和夏令时规则会影响结果，返回的结构体表示本地时间
difftime()	double difftime(time_t time1, time_t time2);	time1 和 time2 - 两个 time_t 值	double - 时间差（秒）	计算两个时间值之间的时间差	返回的是一个浮点数，可用于比较不同时间之间的时间差
mktime()	time_t mktime(struct tm *timeptr);	timeptr - struct tm 结构体	time_t - 时间值	将 struct tm 结构体表示的时间转换为 time_t 类型的时间值	结构体字段需要正确设置，不支持负数年份
asctime()	char *asctime(const struct tm *timeptr);	timeptr - struct tm 结构体	char * - 时间字符串	将 struct tm 结构体表示的时间转换为可读的日期和时间字符串	返回的字符串可能以换行符结尾，需要适当处理

2.12 数据类型简介

time_t定义：

typedef long time_t;

这个定义意味着 time_t 是一个长整型（long）数据类型。在许多系统中，time_t 被定义为从1970年1月1日至今的秒数，用于表示时间戳。在不同的系统和编译环境中，time_t 的具体类型可能会有所不同，但通常它被定义为整数类型。

对于不同的操作系统和编译器，time_t 的实现可能会有所不同，但它的目的是为了提供一个可移植的方式来表示时间。程序员在使用 time_t 时，应该遵循标准库中相关函数的文档和规范，以确保在不同平台上的兼容性。

1970年1月1日被选为UNIX时间起始点是因为这是UNIX操作系统的创建者之一、美国计算机科学家肯·汤普森（Ken Thompson）在当时的UNIX实现中选择的日期。

这个日期的选择实际上是一种约定，因为计算机科学家需要一种标准方式来表示时间。UNIX时间是一种以秒为单位的计时方式，从1970年1月1日0时0分0秒（UTC）开始，表示自那时以来的秒数。这个日期被选为UNIX时间的起点，主要是因为它相对容易计算，而且在当时的UNIX系统中也很方便。

此外，1970年1月1日0时0分0秒（UTC）也被选为UNIX时间起始点，因为它位于协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）中，并且在计算时间时避免了涉及夏令时（DST）等时区变化的复杂性。这使得UNIX时间在不同地区和不同计算机系统上都可以保持一致。

从1970年1月1日开始的UNIX时间在计算机科学和软件工程中广泛使用，尤其是在操作系统、数据库、文件系统和网络协议中。因此，这个日期成为了一个重要的时间基准，用于表示和计算时间间隔，以及在计算机系统之间进行时间戳的交换。

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结构体原型：（这里 把2.2节的顺便写了）

稍微看一下注释，比如月份从0开始，年数以1900开始计算。（1890就写-10）

1. struct tm 结构体（在 <time.h> 中定义）：

   struct tm {
       int tm_sec;   // 秒（0-59）
       int tm_min;   // 分钟（0-59）
       int tm_hour;  // 小时（0-23）
       int tm_mday;  // 月中的天数（1-31）
       int tm_mon;   // 月（0-11，0 表示 1 月）
       int tm_year;  // 年份（自 1900 年起的年数）
       int tm_wday;  // 星期几（0-6，0 表示星期日）
       int tm_yday;  // 年中的天数（0-365）
       int tm_isdst; // 夏令时标志（正数表示 DST，0 表示不是 DST，负数表示不确定）
   };
   

2. SYSTEMTIME 结构体（在 <windows.h> 中定义）：

   typedef struct _SYSTEMTIME {
       WORD wYear;         // 年份
       WORD wMonth;        // 月份
       WORD wDayOfWeek;    // 星期几（0-6，0 表示星期日）
       WORD wDay;          // 月中的天数（1-31）
       WORD wHour;         // 小时（0-23）
       WORD wMinute;       // 分钟（0-59）
       WORD wSecond;       // 秒（0-59）
       WORD wMilliseconds; // 毫秒
   } SYSTEMTIME;
   

3. struct timeval 结构体（在 <sys/time.h> 中定义，通常用于 Linux 和 Unix 系统）：

   struct timeval {
       long tv_sec;  // 秒
       long tv_usec; // 微秒
   };
   

4. struct timespec 结构体（在 <time.h> 中定义，通常用于 Linux 和 Unix 系统）：

   struct timespec {
       time_t tv_sec; // 秒
       long   tv_nsec; // 纳秒
   };
   

这些结构体用于表示时间的各个方面，包括年、月、日、时、分、秒等，并且在与时间相关的C函数中经常用于输入和输出。请注意，SYSTEMTIME 结构体是Windows特有的，而 struct timeval 和 struct timespec 结构体通常用于Linux和Unix系统。👇

2.2 windows 和 Linux特有函数

在Windows下：

函数	函数原型	头文件	输入	输出	作用	注意点
GetSystemTime()	void GetSystemTime(SYSTEMTIME *lpSystemTime);	windows.h	lpSystemTime - 一个 SYSTEMTIME 结构指针	无	获取系统时间（UTC+），以年、月、日、时、分、秒等形式返回	无
GetLocalTime()	void GetLocalTime(SYSTEMTIME *lpSystemTime);	windows.h	lpSystemTime - 一个 SYSTEMTIME 结构指针	无	获取本地时间，考虑了时区和夏令时规则，以年、月、日、时、分、秒等形式返回	无
GetTickCount()	DWORD GetTickCount(void);	windows.h	无	返回自系统启动以来的毫秒数	无

在Linux下：

函数	函数原型	头文件	输入	输出	作用	注意点
gettimeofday()	int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);	sys/time.h	tv - 一个 struct timeval 结构指针，tz - 一个 struct timezone 结构指针（可传入NULL ）	0（成功）或-1（失败）	获取当前时间，包括秒和微秒，可用于高精度计时	需要检查返回值以处理错误，struct timezone 在许多系统中被忽略
clock_gettime()	int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);	time.h	clk_id - 时钟标识，tp - 一个 struct timespec 结构指针	0（成功）或-1（失败）	获取高分辨率的时间信息，可选择不同的时钟源	需要检查返回值以处理错误，时钟标识和支持的时钟源因系统而异

2.3 C语言示例

简单示例吧，自己结合前面的结构体定义、函数原型和功能介绍。应用还是很广泛的。

需要注意一些换算，尤其是gm这个结构体，time_t 变量是从1970-1-1开始计算的，tm结构体变量的成员是从1900年开始的，月数、星期几、天数从0开始。

struct tm {
    int tm_sec;   // 秒（0-59）
    int tm_min;   // 分钟（0-59）
    int tm_hour;  // 小时（0-23）
    int tm_mday;  // 月中的天数（1-31）
    int tm_mon;   // 月（0-11，0 表示 1 月）
    int tm_year;  // 年份（自 1900 年起的年数）
    int tm_wday;  // 星期几（0-6，0 表示星期日）
    int tm_yday;  // 年中的天数（0-365）
    int tm_isdst; // 夏令时标志（正数表示 DST，0 表示不是 DST，负数表示不确定）
};

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Linux下：

输出：

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/time.h>
#include <time.h>

int main() {
    struct timeval current_time;
    struct tm set_time ={ 0, 0, 0, 1, 0, 120, },*diff_readable;
    char time_str[30], *p;

    if (gettimeofday(&current_time, NULL) == 0) {
        p = ctime(&current_time.tv_sec);
        printf("Current time is %s", p); // 注意这里的字符串本来就是以换行符结尾的
        printf("It has passed %ld seconds %ld microseconds since 1970-1-1\n", current_time.tv_sec, current_time.tv_usec);
    } else {
        perror("gettimeofday");
    }

    time_t set_t = mktime(&set_time);
    printf("I set a time: %s", asctime(&set_time));

    double diff = difftime(current_time.tv_sec, set_t);
    printf("Time diff between current time and set time  is %ld seconds\n",(long)(diff));

    time_t diff_time = (time_t)diff;
    diff_readable = localtime(&diff_time);
    printf("Transform to be readable :%d yesrs %d months %d days %d hours\n",
           diff_readable->tm_year-70, diff_readable->tm_mon+1,
           diff_readable->tm_mday, diff_readable->tm_hour);

    return 0;
}

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Windows下：

使用Windows API ：
输出：

Current time:2023-10-6-14:47
Current time:2023-10-6-22:47
It has passed 249 hours since PC started

源码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <windows.h>

int main() {
	SYSTEMTIME system_time = {0}, local_time = {0};
	GetSystemTime(&system_time);
	printf("Current time:%u-%u-%u-%u:%u\n",system_time.wYear, system_time.wMonth, system_time.wDay,
		system_time.wHour, system_time.wMinute);

	GetLocalTime(&local_time);
	printf("Current time:%u-%u-%u-%u:%u\n", local_time.wYear, local_time.wMonth, local_time.wDay,
		local_time.wHour, local_time.wMinute);

	printf("It has passed %lu hours since PC started\n",GetTickCount()/(1000*60*60));
	return 0;
}

使用time.h：
输出：

Current time(local): Fri Oct  6 23:00:39 2023

Current time(UTC): Fri Oct  6 15:00:39 2023

源码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

int main() {
	char current_time[30] = {0}, *p;
	time_t time_second;
	struct tm* utc_time;

	time(&time_second);
	p = current_time;
	p = ctime(&time_second);
	printf("Current time(local): %s\n",p);

	utc_time = gmtime(&time_second);
	time_t UTC = mktime(utc_time);
	p = ctime(&UTC);
	printf("Current time(UTC): %s\n",p);
	return 0;
}

总结：

一般使用time.h的函数就能完成所有工作，不过在特定系统下使用对应的API获取时间会更快，更精确。