Linux系统中时间区域和API

1、问题

在开发云平台程序的时候，经常会碰到时间区域转换的问题。比如，任何网络存储的文档的metadata都自己记录了编辑时间。但是，云平台记录时需要把这个时间转成标准时间，便于管理。但是用户使用的时候却是根据他自己的时间来的。比如，

• 某人需要在北京时间12/31：11:59把新年短信发给女朋友。太早发，太晚发都会惹人不高兴。因此，系统搜索或安排任务的时候，需要根据某个时区，或是新年短信内部时间设定。
• 再比如，在搜索电邮或短信的时候，根据RFC的定义，时间的搜索需要按照收到时间的字面数值。比如一个电邮的收到时间为Mon, 14 May 2018 23:23:27 -0700，那么搜索1 SEARCH BEFORE 14-May-2018必须返回这个电邮。但是，如果我们在标准时区，当地时间已经是5月15了。

2、概念与API

在最早的Unix中，一台机器只能处理UTC以外的一个时区。时区偏移量和名称字符串（实际上是一对名称字符串，一个用于夏季，一个用于冬季）已配置到内核中，并可供C程序使用。后来（1982）System III通过修改名为TZ的环境变量并调用函数tzset（3），可以设置session时区。从此，解释TZ值区域规范的规则成为POSIX标准的一部分。

V7和较早的BSD Unix有其他各种配置本地时区的方法，这些方法不涉及使用或解释TZ。他们与POSIX TZ的解释有一个相同的致命缺陷，那就是它们不是为了应对时区系统的历史不稳定而设计的。他们无法解释一整套历史位移/ DST的规则，从而正确表达过去本地时间和现在时刻。

在现代Unix系统上，TZ变量可能根本就没有设置，但在任何进程中可以通过明确设置TZ来覆盖系统默认时区。在启动或通过重写值TZ时，可以根据地理位置配置时区指示符（通常但不总是地区/主要城市对），例如“America / New_York”或“Europe / Vienna”或“Asia /台北”。如果标识符是通过TZ设置的，为了与POSIX标准向后兼容，可能需要以冒号开头，以区别于旧式的时区规范。

基于位置的区域命名方案[IANA-ZONES]由互联网号码分配机构IANA管理。

2.1、Unix中时间日期的格式

作为现在大多数操作系统的鼻祖，Unix中时间日期的format是相当乱的。这也反映了系统发展的历程和不同贡献者的设计偏好：

时间日期	解释
1526924458	Unix UTC seconds
Mon May 21 11:20:32 PDT 2018	date(1) output
2018-05-21 11:23:27-07:00	$ date --rfc-3339=seconds
Mon, 21 May 2018 11:23:27 -0700	e-mail RFC-822/RFC-2822 format
Fri, 24 Oct 2014 19:32:27 GMT	HTTP (RFC-2616/RFC-7231) format
20141024192327.000000Z	LDAP (RFC-2252/X.680/X.208) format
2014-10-24 15:32:27	Modified ISO-8601 local time
2014-10-24T15:32:27	Strict ISO-8601 local time
2014-10-24T19:32:27Z	RFC-3339 time, always UTC and marked Z

在用unix程序时，两个使用最多的数据结构是time_t和struct tm，time_t其实就是int32_t，而struct tm的定义如下，我们发现这个结构有个问题，没有时区信息：

struct tm
{
    int    tm_sec;   /* seconds [0,60] (60 for + leap second) */
    int    tm_min;   /* minutes [0,59] */
    int    tm_hour;  /* hour [0,23] */
    int    tm_mday;  /* day of month [1,31] */
    int    tm_mon ;  /* month of year [0,11] */
    int    tm_year;  /* years since 1900 */
    int    tm_wday;  /* day of week [0,6] (Sunday = 0) */
    int    tm_yday;  /* day of year [0,365] */
    int    tm_isdst; /* daylight saving flag */
};

时区是通过环境变量"TZ"来定义的，使之生效需要调用tzset函数，查看时区需要使用tzname：

setenv("TZ", "Australia/Currie", );
tzset();
printf ("tz: [%s:%s]\n", tzname[], tzname[]);

特别需要注意的是 char * tzname [2]

数组tzname包含两个字符串，它们是用户选择的时区（标准和夏令时）的标准名称。 tzname [0]是标准时区的名称（例如“EST”），tzname [1]是使用夏令时的时区名称（例如“EDT”）。这些对应于来自TZ环境变量的std和dst字符串（分别）。如果从不使用夏令时，则tzname [1]是空字符串。

tzname数组在tzset，ctime，strftime，mktime或localtime被调用时从TZ环境变量初始化。如果使用了多个缩写（例如美国东部时间和东部夏令时的“EWT”和“EDT”），则该数组包含最近的缩写。

tzname数组对于POSIX.1兼容性是必需的，但在GNU程序中，最好使用分解时间结构的tm_zone成员，因为即使它不是最新的缩写，tm_zone也会报告正确的缩写。

2.2、API

• Unix时间:

#include <time.h>

/* Obtain current time. */
time_t current_time = time(NULL);

C标准定义time()返回的time_t值不是特定时区的，自1970年1月1日00:00 UTC时刻以来流逝的秒数。使用时不能假设其内部实现，需要使用C标准库中适当的函数（如gmtime和localtime）将time_t转换为struct tm并获得对时间戳细节的访问。　　

• 设置时区：tzset

#include <time.h>
void tzset (void);
extern char *tzname[]; /* time zone name */
extern long timezone;   /* seconds west of UTC, *not* DST-corrected */
extern int daylight;    /* nonzero if DST is ever in effect here */

• 获取标准或本地时间
  • gmtime／gmtime_r：获取标准时间，不会修改时区变量
  • localtime／localtime_r：获取本地时间，如果本地时间未设置，会根据地理位置修改时区变量

#include <time.h>
struct tm *gmtime(const time_t *);
struct tm *gmtime_r(const time_t *, struct tm *);
struct tm *localtime(const time_t *);
struct tm *localtime_r(const time_t *, struct tm *);

• 从本地时间转为Unix时间（秒）：mktime

#include <time.h>

time_t mktime(struct tm *tm);

mktime函数是一个标准函数，是localtime的反函数，将输入本地时间struct tm转换为Unix时间time_t。

• 其它函数

其它还有辅助函数帮助时间转换为字符串或从字符串转换成时间，因为和时区的关系不大，我们不详细解释。

• asctime将struct tm对象转换为文本表示（不建议使用）
• ctime将time_t值转换为文本表示
• strftime将struct tm对象转换为自定义文本表示
• wcsftime将struct tm对象转换为自定义宽字符串文本表示

3、用例

我们有一个已知时间和时区位移，需要输出在该时区的时间，返回值为该天的年月日(yyyyMMdd)。

int timestamp_to_timezonedate(time_t date_timestamp, int32_t tz_offset, char *buf, size_t bufsize) {
    struct tm dat = {0};

    date_timestamp += tz_offset * 60;
    gmtime_r(&date_timestamp, &dat);
    if (buf)
        strftime(buf, bufsize, "%Y-%m-%dT%H:%M:%S", &dat);
    return ((dat.tm_year+) * ) + ((dat.tm_mon+) * ) + (dat.tm_mday);
}

再看看如何获取当前时区和标准时间的差别（分钟）：

//return local timezone offset in minutes
int store_local_tz_offset(void) {
    time_t gmt, rawtime = time(NULL);
    struct tm gbuf;

    gmtime_r(&rawtime, &gbuf);

    // Request that mktime() looks up dst in timezone database
    gbuf.tm_isdst = -;

    //gmt = rawtime - offset
    //gbuf is used as local tm, therefore gmt will be shifted back with offset
    gmt = mktime(&gbuf);

    //rawtime - gmt
    return (int)difftime(rawtime, gmt)/;
}

4、One more thing

一般的时区位移是分钟。比如Mon, 21 May 2018 11:23:27 -0700，最后几位是时区位移：[+|-]HHMM。

有些地方的时区位移是半小时，所以为了支持这些地区，在小时后面会有分钟的参数，比如印度 Tuesday 2018-05-22|04:56:39 +0630

参考文献

［1］https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Time-Zone-Functions.html

［2］http://www.catb.org/esr/time-programming/