1969年,貝爾實驗室的大神Ken Thompson的老婆休假,帶著兒子回娘家,時間長達三周。
趁這段時間,他決定開發一個操作系統:Uni
正在如火如荼地敲代碼的時候,Ken突然卡殼了,這是一件非同尋常的事情,之前的開發都是一帆風順,行云流水的。
因為他意識到有個非常重大的問題,必須馬上解決。
這個問題就是:如何在Unix中表示日期和時間?
這個問題非常重要,因為日期和時間管理對于任何操作系統來說都是關鍵功能,包括文件時間戳、程序調度、日志記錄等。
最容易想到,也是最簡單的辦法就是用一個字符串來表示,例如:
1970-09-17 0030.751
有年月日,時分秒,還有細粒度的微妙,并且可讀性非常強。
但是這種方式明顯不符合Unix的設計原則:簡潔,一致性,易于使用。
原因很簡單:
(1) 存儲效率低下
字符串需要占用大量的空間,處理起來也更復雜
(2) 計算復雜性讀比較高
比如要計算兩個時間的差值,需要先解析字符串,然后進行更復雜的日期和時間計算。
解決辦法
正當Ken一籌莫展之際,Dennis Ritchie端著咖啡走了過來:“兄臺,遇到什么事情了?”
Ken把問題的來龍去脈講了一遍。
Dennis沉吟道:“嗯,這確實是一個問題,得有一個簡潔易用的,符合Unix設計原則的方案....”
突然,Dennis一拍大腿:“用一個整數來表示日期和時間怎么樣?”
聰明異常的Ken立刻秒懂,眼睛發光:“對,先確定一個開始時間(紀元),然后這個整數表示從紀元開始到當前時間流逝的秒數!”
Dennis說:“這個紀元可以設定為:1970年1月1日0000,那個時候Unix肯定發布了。”
如果這個整數是:1631280731,那就表示2021-09-10 1331 UTC
Ken Thompson決定把這種方式成為Unix Epoch Time(Unix 紀元時間)。
用一個整數來表示時間戳,有幾個主要的優勢:
(1) 簡化
通過將日期和時間表示為一個單一的整數,可以大大簡化日期和時間的計算。例如,計算兩個日期之間的差異就只需要對兩個整數進行減法運算。
(2) 便于存儲和處理
整數易于存儲(占用的空間較少)且便于在各種編程語言中處理。
(3) 兼容性
Unix時間戳可以在不同的操作系統和平臺之間輕松地進行交換和比較。
(4) 全球統一
Unix時間戳是從同一時刻(1970年1月1日0000 UTC)開始的,所以它提供了一種在全球范圍內統一的時間表示方式。
問題出現
當然,Unix時間戳也有其限制。例如,它不能很好地處理閏秒,而且直接查看Unix時間戳并不能很好地理解當前的日期和時間。
在上世紀六七十年代,電腦主要還是16位的,Ken Thompson把Unix時間戳確定為32位整數,他覺得已經夠大了,再說了誰會知道Unix操作系統能用多久呢?
讓人想不到的是Unix一直存活了下來,它的很多概念對整個計算機科學和軟件開發領域產生了深遠的影響,包括時間和日期的處理方式。類Unix的開源操作系統Linux繼承了Unix的衣缽,甚至統治了服務器端的OS市場。
開發Linux的時候,也是采用了32位的整數來記錄時間戳。
現在一個大問題來了,32位的有符號整數最大值是2147483647 ,只能讓我們用到2038年1月19號 0307 UTC
下面這個動圖展示了整數溢出以后的效果:
這被稱為Y2K38問題。
解決方案也非常簡單,就像IPV6一樣,用128位IP,可以給地球上每一粒沙子都賦予一個IP地址,并且還有大量剩余。
Unix Epoch time 可以把32位的整數變成64位。
使用64位整數,可以表示到接近290億年后的時間,不知道那個時候地球還是否存在?
大概是從Linux 5.6版本開始,Linux內核開始全面支持64位時間戳的系統調用,但是升級了內核以后,并不意味著完事大吉,應用程序和庫在編寫的時候如果使用了time_t類型(早期是32位的),現在需要改成64位整數,然后重新編譯,要不然依然會產生溢出問題。
嵌入式系統最有可能受到Y2K38問題的影響,一般的服務器軟件通常會定期進行升級,打補丁,但是嵌入式軟件一旦隨著硬件發布出去,就很少更改,很可能會運行到2038年。
尾聲
在Unix Epoch Time確定下來30年后,一個準備轉行Java程序員的年輕人打開了Java 的Date類。
Date內部實際上存儲的就是一個長整型的數(long),它表示的是自1970年1月1日 0000 (即Unix Epoch時間)以來的毫秒數。
他覺得非常奇怪:為什么是1970年1月1日 0000呢?是誰確定了這么一個古怪的日期呢?
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原文標題:50 多年前,大神在操作系統中埋的雷,快要爆了…
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