关于“时间”的一次探索

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KohPoll
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    原文对 ISO 8601 时间格式中 T 和 Z 的表述有一些错误，我已经对原文进行了一些修订，抱歉给大家造成误解。

    最近使用 sequelize 过程中发现一个“奇怪”的问题，将某个时间插入到表中后，通过 sequelize 查询出来的时间和通过 mysql 命令行工具查询出来的时间不一样。非常困惑，于是研究了下，下面是学习成果。

    基本概念

    我们先来介绍一些可能当年在地理课上学习过的基本概念。

    说起来，时间真是一个神奇的东西。以前人们通过观察太阳的位置来决定时间（比如：使用日晷），这就使得不同经纬度的地区时间是不一样的。后来人们进一步规定以子午线为中心，向东西两侧延伸，每 15 度划分一个时区，刚好是 24 个时区。然后因为一天有 24 小时，地球自转一圈是 360 度，360 度 / 24 小时 = 15 度/小时，所以每差一个时区，时间就差一个小时。

    最开始的标准时间（子午线中心处的时间）是英国伦敦的皇家格林威治天文台的标准时间（因为它刚好在本初子午线经过的地方），这就是我们常说的 GMT（Greenwich Mean Time）。然后其他各个时区根据标准时间确定自己的时间，往东的时区时间晚（表示为 GMT+hh:mm）、往西的时区时间早（表示为 GMT-hh:mm）。比如，中国标准时间是东八区，我们的时间就总是比 GMT 时间晚 8 小时，他们在凌晨 1 点，我们已经是早晨 9 点了。

    但是 GMT 其实是根据地球自转、公转计算的（太阳每天经过英国伦敦皇家格林威治天文台的时间为中午 12 点），不是非常准确，于是后面提出了根据原子钟计算的标准时间 UTC（Coordinated Universal Time）。

    一般情况下，GMT 和 UTC 可以互换，但是实际上，GMT 是一个时区，而 UTC 是一个时间标准。

    可以在这里看到所有的时区：http://www.timeanddate.com/ti...

    所以，当我们“展示”某个时间时，明确时区就变得非常重要了。不然你只说现在是 2016-01-11 19:30:00，然后不告诉我时区，我其实是没法准确知道时间的（当然，我可以认为这个时间是我所在时区的当地时间）。如果你说现在是 2016-01-11 19:30:00 GMT+0800，那我就知道这个时间是东八区的时间了。如果我在东八区，那时间就是 19:30，如果我在 GMT 时区，那时间就是 11:30（减掉 8 小时）。

    JavaScript 中的“时间”

    我们现在来介绍下 JavaScript 中的“时间”，包括：Date、Date.parse、Date.UTC、Date.now。

    注：下面的代码示例可以在 node shell 里面运行，如果你运行的时候结果和下面的不一致，那可能咱们不在一个时区：）

    Date 构造器

    构造时间的方法有下面几种：

    new Date();           // 当前时间
new Date(value);      // 自 1970-01-01 00:00:00 UTC 经过的毫秒数
new Date(dateString); // 时间字符串
new Date(year, month[, day[, hour[, minutes[, seconds[, milliseconds]]]]]);

    需要注意的是：构造出的日期用来显示时，会被转换为本地时间（调用 toString 方法）：

    > new Date()
Mon Jan 11 2016 20:15:18 GMT+0800 (CST)

    打印出我写这篇文章时的本地时间。后面的 GMT+0800 表示是“东八区”，CST 表示是“中国标准时间（China Standard Time）”。

    有一个很“诡异”的地方是如果我们直接使用 Date，而不是 new Date，得到的将会是字符串，而不是 Date 类型的对象：

    > typeof Date()
'string'
> typeof new Date()
'object'

    时间字符串

    我们先说最复杂的时间字符串形式。它实际上支持两种格式：一种是 RFC-2822 的标准；另一种是 ISO 8601 的标准。我们主要介绍后一种。

    ISO 8601

    ISO 8601的标准格式是：YYYY-MM-DDTHH:mm:ss.sssZ，分别表示：

    • YYYY：年份，0000 ~ 9999
    • MM：月份，01 ~ 12
    • DD：日，01 ~ 31
    • T：分隔日期和时间
    • HH：小时，00 ~ 24
    • mm：分钟，00 ~ 59
    • ss：秒，00 ~ 59
    • .sss：毫秒
    • Z：时区，可以是：Z（UFC）、+HH:mm、-HH:mm

    这里我们主要来说下 T、以及 Z。

    T

    T 也可以用空格表示，但是这两种表示有点不一样，T 其实表示 UTC，而空格会被认为是本地时区（前提是不通过 Z 指定时区）。这里的表述是错误的，T 仅仅是分隔日期和时间的符号，没有其他含义。所以下面的例子其实结果是一样的。

    > new Date('1970-01-01 00:00:00')
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

> new Date('1970-01-01T00:00:00')
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

    这里补充一点需要注意的，时间字符串这种形式有一个特殊的逻辑：如果你不提供“时间”（也就是 T 分隔后的内容），得到的其实是 UTC 时间。比如：

    > new Date('1970-01-01')
Thu Jan 01 1970 08:00:00 GMT+0800 (CST)

> new Date('1970-01-01T00:00')
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)
    Z

    Z 用来表示传入时间的时区（zone），不指定并且没有使用 T 分隔而是使用空格分隔时，就按本地时区处理。这个说法也不严谨，指定 Z 时表示 UTC 时间，不指定时表示的是本地时间。

    > new Date('1970-01-01T00:00:00')
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

> new Date('1970-01-01T00:00:00Z')
Thu Jan 01 1970 08:00:00 GMT+0800 (CST)

    示例 1 是东八区时间，显示的时间和传入的时间一致（因为我本地时区是东八区）。

    示例 2 指定了 Z（也就是 UTC 零时区），显示的时间会加上本地时区的偏移（8 小时）。

    RFC-2822

    RFC-2822 的标准格式大概是这样：Wed Mar 25 2015 09:56:24 GMT+0100。其实就是上面显示时间时使用的形式：

    > new Date('Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)')
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

    除了能表示基本信息，还可以表示星期，但是一点也不容易读，不建议使用。完整的规范可以在这里查看：http://tools.ietf.org/html/rf...

    时间戳

    Date 构造器还可以接受整数，表示想要构造的时间自 UTC 时间 1970-01-01 00:00:00 经过的毫秒数。比如下面的代码：

    > new Date(1000 * 1)
Thu Jan 01 1970 08:00:01 GMT+0800 (CST)

    传人 1 秒，等价于：1970-01-01 00:00:01Z，显示的时间加上了本地时区的偏移（8 小时）。

    多参数

    最后，Date 构造器还支持传递多个参数，这种方法就没办法指定时区了，都当做本地时间处理。比如下面的代码：

    > new Date(1970, 0, 1, 0, 0, 0)
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

    显示时间和传入时间一致，均是本地时间。注意：月份是从 0 开始的。

    Date.parse

    Date.parse 接受一个时间字符串，如果字符串能正确解析就返回自 UTC 时间 1970-01-01 00:00:00 经过的毫秒数，否则返回 NaN：

    > Date.parse('1970-01-01 00:00:00')
-28800000

> new Date(Date.parse('1970-01-01 00:00:00'))
Thu Jan 01 1970 00:00:00 GMT+0800 (CST)

> Date.parse('1970-01-01T00:00:00')
0

> new Date(Date.parse('1970-01-01T00:00:00'))
Thu Jan 01 1970 08:00:00 GMT+0800 (CST)

    示例 1，-28800000 换算后刚好是 8 小时表示的毫秒数，28800000 / (1000 * 60 * 60)，我们传入的是本地时区时间，等于 UTC 时间的 1969-12-31 16:00:00，和 UTC 时间 1970-01-01 00:00:00 相差刚好 -8 小时。

    示例 2，将 parse 后的毫秒数传递给构造器，最后显示的时间加上了本地时区的偏移（8 小时），所以结果刚好是 1970-01-01 00:00:00。

    示例 3，传入的是 UTC 时区时间，所以结果为 0。

    示例 4，将 parse 后的毫秒数传递给构造器，最后显示的时间加上了本地时区的偏移（8 小时），所以结果刚好是 1970-01-01 08:00:00。

    Date.UTC

    Date.UTC 接受的参数和 Date 构造器多参数形式一样，然后返回时间自 UTC 时间 1970-01-01 00:00:00 经过的毫秒数：

    > Date.UTC(1970,0,1,0,0,0)
0

> Date.parse('1970-01-01T00:00:00')
0

> Date.parse('1970-01-01 00:00:00Z')
0

    可以看出，Date.UTC 进行的是一种“绝对运算”，传入的时间就是 UTC 时间，不会转换为当地时间。

    Date.now

    Date.now 返回当前时间距 UTC 时间 1970-01-01 00:00:00 经过的毫秒数：

    > Date.now()
1452520484343

> new Date(Date.now())
Mon Jan 11 2016 21:54:55 GMT+0800 (CST)

> new Date()
Mon Jan 11 2016 21:55:00 GMT+0800 (CST)

    MySQL 中的“时间”

    MySQL 中和时间相关的数据类型主要包括：YEAR、TIME、DATE、DATETIME、TIMESTAMP。

    DATE、YEAR、TIME 比较简单，大概总结如下：

    名称 占用字节 取值
    DATE 3 字节 1000-01-01 ~ 9999-12-31
    YEAR 1 字节 1901 ~ 2155
    TIME 3 字节 -838:59:59 ~ 838:59:59

    注：TIME 的小时范围可以这么大（超过 24 小时），是因为它还可以用来表示两个时间点之差。

    DATEIME vs TIMESTAMP

    我们主要来说明下 DATETIME 和 TIMESTAMP，可以做下面的总结：

    名称 占用字节 取值 受 time_zone 设置影响
    DATETIME 8 字节 1000-01-01 00:00:00 ~ 9999-12-31 23:59:59 否
    TIMESTAMP 4 字节 1970-01-01 00:00:00 ~ 2038-01-19 03:14:07 是

    第一个区别是占用字节不同，导致能表示的时间范围也不一样。

    第二个区别是 DATETIME 是“常量”，保存时就是保存时的值，检索时是一样的值，不会改变；而 TIMESTAMP 则是“变量”，保存时数据库服务器将其从time_zone 时区转换为 UTC 时间后保存，检索时将其转换从 UTC 时间转换为 time_zone 时区时间后返回。

    比如，我们有下面这样一张表：

    CREATE TABLE `tests` (
    `id` INTEGER NOT NULL auto_increment , 
    `datetime` DATETIME, 
    `timestamp` TIMESTAMP, 
    PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

    连接到数据库服务器后，可以执行 SHOW VARIABLES LIKE '%time_zone%' 查看当前时区设置。类似下面这样的结果：

    Variable_name Value
    system_time_zone CST
    time_zone SYSTEM

    说明我目前时区是 CST（China Standard Time），也就是东八区。

    我们尝试插入下面的数据：

    INSERT INTO `tests` (`id`, `datetime`, `timestamp`) VALUES (DEFAULT, '1970-01-01 00:00:00', '1970-01-01 00:00:00');

    会发现有一个报错：Error Code: 1292. Incorrect datetime value: '1970-01-01 00:00:00' for column 'timestamp'。给 timestamp 这一列提供的值不对，因为我们尝试插入 1970-01-01 00:00:00 时，数据库服务器会根据 time_zone 的设置将其转换为 UTC 时间，也就是 1969-12-31 16:00:00，而这个值明显超过了 TIMESTAMP 类型的范围。

    我们换个大一点的值：

    INSERT INTO `tests` (`id`, `datetime`, `timestamp`) VALUES (DEFAULT, '2000-01-01 00:00:00', '2000-01-01 00:00:00');

    这次就成功插入了。

    再次检索时结果也是正确的（数据库服务器将值从 UTC 时间转换为 time_zone 设置的时区时间）：

    SELECT * FROM sample.tests;

    返回：

    id datetime timestamp
    1 2000-01-01 00:00:00 2000-01-01 00:00:00

    如果我们先将 time_zone 设置为一个不同的值后再进行检索就会发现不同的结果：

    SET time_zone = '+00:00';
SELECT * FROM sample.tests;

    返回：

    id datetime timestamp
    1 2000-01-01 00:00:00 1999-12-31 16:00:00

    可以看到 datetime 列值没有受 time_zone 设置的影响，而 timestamp 列值却改变了。数据库服务器将其从 UTC 时区转换为 time_zone 时区的时间（首先 2000-01-01 00:00:00 在上面进行插入时根据 time_zone 被转换为了 1999-12-31 16:00:00，此次检索时 time_zone 被设置为 +00:00，转换回来刚好就是 1999-12-31 16:00:00）。

    那这两种类型怎么选择呢？建议优先使用 DATETIME，表示范围大、不容易受服务器的设置影响。

    在 JavaScript 和 MySQL 间转换

    分别说明了 JavaScript 和 MySQL 中的“时间”后，我们来聊聊 ORM 框架一般都是怎么样在两者间进行正确、合适的转换来避免混乱的。下面的说明将基于 sequelize 框架来解释，主要是一种思路，其他的框架可以阅读框架提供的文档或是源码。

    sequelize 实际上有一个 timezone 的配置，默认是 +00:00（http://sequelize.readthedocs....）。这个 timezone 有下面的用途：

    • 建立数据库连接时，执行 SET time_zone = opts.timezone
    • MySQL 的时间类型和 JavaScript 的时间类型的互相转换

    第一个用途很简单，体现在源码里就是执行一个 SQL 语句：

    connection.query("SET time_zone = '" + self.sequelize.options.timezone + "'"); /* jshint ignore: line */

    第二个用途主要体现在两个地方：1）在 JavaScript 中调用 ORM 方法进行插入、更新时，需要将 Date 类型转为正确的 SQL 语句；2）从 MySQL 服务器查询数据时，需要将数据库查询到的值转换为 JavaScript 中的 Date 类型。下面我们分别来看一看。

    JavaScript -> MySQL

    这个转换的核心代码如下：

    SqlString.dateToString = function(date, timeZone, dialect) {
  if (moment.tz.zone(timeZone)) {
    date = moment(date).tz(timeZone);
  } else {
    date = moment(date).utcOffset(timeZone);
  }

  if (dialect === 'mysql' || dialect === 'mariadb') {
    return date.format('YYYY-MM-DD HH:mm:ss');
  } else {
    // ZZ here means current timezone, _not_ UTC
    return date.format('YYYY-MM-DD HH:mm:ss.SSS Z');
  }
};

    代码逻辑如下：

    1. 检查 timeZone 是否存在，如果存在（存在指的是类似 America/New_York 这样的表示法），调用 tz 设置 date 的时区。
    2. 如果不存在（类似 +00:00、-07:00 这样的表示法），调用 utcOffset 设置 date 的相对 UTC 的时区偏移。
    3. 最后使用上面设置的时区偏移将其 format 成 MySQL 需要的 YYYY-MM-DD HH:mm:ss 格式。

    举两个例子。

    如果 timeZone 等于 +00:00，date 等于 new Date('2016-01-12 09:46:00')，到 UTC 的偏移等于 (timeZone - 本地时区) + timeZone：(00:00 - 08:00) + 00:00 = -08:00，即 2016-01-12 09:46:00-08:00，于是 format 后的结果是 2016-01-12 01:46:00。

    如果 timeZone 等于 +08:00，date 等于 new Date('2016-01-12 09:46:00')，到 UTC 的偏移等于 (timeZone - 本地时区) + timeZone：(08:00 - 08:00) + 08:00 = 08:00，即 2016-01-12 09:46:00+08:00。于是 format 后的结果是 2016-01-12 09:46:00。

    如果 timeZone 等于 Asia/Shanghai，结果也会是 2016-01-12 09:46:00，和 +08:00 等价。

    sequelize 的 timezone 默认是 +00:00，所以，我们在 JavaScript 中的时间最后应用到数据库中都会被转换成 UTC 的时间（比实际的时间早 8 小时）。

    MySQL -> JavaScript

    这个转换过程实际上是更底层的 node-mysql 库来实现的。核心代码如下：

      switch (field.type) {
    case Types.TIMESTAMP:
    case Types.DATE:
    case Types.DATETIME:
    case Types.NEWDATE:
      var dateString = parser.parseLengthCodedString();
      if (dateStrings) {
        return dateString;
      }
      var dt;

      if (dateString === null) {
        return null;
      }

      var originalString = dateString;
      if (field.type === Types.DATE) {
        dateString += ' 00:00:00';
      }

      if (timeZone !== 'local') {
        dateString += ' ' + timeZone;
      }

      dt = new Date(dateString);
      if (isNaN(dt.getTime())) {
        return originalString;
      }

      return dt;
   // 更多代码...
}

    处理过程大概是这样：

    1. 用 parser 将服务器返回的二进制数据解析为时间字符串
    2. 如果配置了强制返回字符串 dateStrings 而不是转换回 Date 类型，直接返回 dateString
    3. 如果字段类型是 DATE，时间字符串的时间部分统一为 00:00:00
    4. 如果配置的 timeZone 不是 local（本地时区），时间字符串加上时区信息
    5. 将时间字符串传给 Date 构造器，如果构造出的时间不合法，返回原始时间字符串，否则返回时间对象

    默认情况下，sequelize 在进行连接时传递给 node-mysql 的 timeZone 是 +00:00，所以，第 4 步的时间字符串会是类似这样的值 2016-01-12 01:46:00+00:00，而这个值传递给 Date 构造器，在显示时转换回本地时区时间，就变成了 2016-01-12 09:46:00（比数据库中的时间晚 8 小时）。

    一个例子

    在使用 sequelize 定义模型时，其实是没有 TIMESTAMP 类型的，sequelize 只提供了一个 Sequelize.DATE 类型，生成建表语句时被转换为 DATETIME。

    如果是在旧表上定义模型，而这张旧表刚好有 TIMESTAMP 类型的列，对 TIMESTAMP 类型的列定义模型时还是可以使用 Sequelize.DATE，对操作没有任何影响。但是 TIMESTAMP 是受 time_zone 设置影响的，这会引起一些困惑。下面我们来看一个例子。

    sequelize 默认将 time_zone 设置为 +00:00，当我们执行下面代码时：

    Test.create({
    'datetime': new Date('2016-01-10 20:07:00'),
    'timestamp': new Date('2016-01-10 20:07:00')
  });

    会进行上面提到的 JavaScript 时间到 MySQL 时间字符串的转换，生成的 SQL 其实是（时间被转换为了 UTC 时间，比本地时间早了 8 小时）：

    INSERT INTO `tests` (`id`,`datetime`,`timestamp`) VALUES (DEFAULT,'2016-01-10 12:07:00','2016-01-10 12:07:00');

    当我们执行 Test.findAll() 来查询数据时，会进行上面提到的 MySQL 时间到 JavaScript 时间的转换，其实就是返回这样的结果（显示时时间从 UTC 时间转换回了本地时间）：

    > new Date('2016-01-10 12:07:00+00:00')
Sun Jan 10 2016 20:07:00 GMT+0800 (CST)

    和我们插入时的时间是一致的。

    如果我们通过 MySQL 命令行来查询数据时，发现其实是这样的结果：

    id datetime timestamp
    1 2016-01-10 12:07:00 2016-01-10 20:07:00

    这很好理解，因为我们数据库服务器的 time_zone 默认是东八区，TIMESTAMP 是受时区影响的，查询时被数据库服务器从 UTC 时间转换回了 time_zone 时区时间；DATETIME 不受影响，还是 UTC 时间。

    如果我们先执行 SET time_zone = '+00:00'，再进行查询，那结果就都会是 UTC 时间了。所以，不要以为数据出错了哦。

    总结下就是，sequelize 会将本地时间转换为 UTC 时间后入库，查询时再将 UTC 时间转换为本地时间。这能达到最好的兼容性，存储总是使用 UTC 时间，展示时应用端自己转换为本地时区时间后显示。当然这个的前提是数据类型选用 DATETIME。

    兼容老数据

    这里要说的最后一个问题是基于旧表定义 sequelize 模型，并且表中时间值插入时没有转换为 UTC 时间（全部是东八区时间），而且 DATETIME 和 TIMESTAMP 混用，该怎么办？

    在默认配置下，情况如下：

    查询 DATETIME 类型数据时，时间总是会晚 8 小时。比如，数据库中某条老数据的时间是 2012-01-01 01:00:00（已经是本地时间了，因为没转换），查询时被 sequelize 转换为 new Date('2012-01-01 01:00:00+00:00')，显示时转换为本地时间 2012-01-01 09:00:00，结果显然不对。

    查询 TIMESTAMP 类型数据时，时间是正确的。这是因为 TIMESTAMP 受 time_zone 影响，sequelize 默认将其设置为 +00:00，查询时数据库服务器先将时间转换到 time_zone 设置的时区时间，由于没有时区偏移，刚好查出来的就是数据库中的值。比如：2012-01-01 00:00:00（注意这个值是 UTC 时间），sequelize 将其转换为 new Date('2012-01-01 00:00:00+00:00')，显示时转换为本地时间 2012-01-01 08:00:00，刚好“侥幸”正确。

    新插入的数据 sequelize 会进行上一部分说的双向转换来保证结果的正确。

    维持默认配置显然导致查询 DATETIME 不准确，解决方法就是将 sequelize 的 timezone 配置为 +08:00。这样一来，情况变成下面这样：

    查询 DATETIME 类型数据时，时间 2012-01-01 01:00:00 被转换为 new Date('2012-01-01 01:00:00+08:00')，显示时转换为本地时间 2012-01-01 01:00:00，结果正确。

    查询 TIMESTAMP 类型数据时，由于 time_zone 被设置为了 +08:00，数据库服务器先将库中 UTC 时间 2011-01-01 00:00:00 转换到 time_zone 时区时间（加上 8 小时偏移）为 2011-01-01 08:00:00，sequelize 将其转换为 new Date('2011-01-01 08:00:00+08:00')，显示时转换为本地时间 2011-01-01 08:00:00，结果正确。

    插入、更新数据时，所有 JavaScript 时间会转换为东八区时间入库。

    这样带来的问题是，所有入库时间都是东八区时间，如果有其他应用的时区不是东八区，那就需要自己基于东八区时间计算偏移并转换时间后显示了。

    参考资料

    一不小心写的有点长了，下面列出参考资料供大家进一步学习：

    sequelizemysqljavascript
    KohPoll
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    如何优雅的在 koa 中处理错误

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