聊聊时间（2）硬核算法篇——UNIX时间戳转UTC时间 / 四六文摘

文/Edward

前一篇文章《聊聊时间（1）UNIX时间戳和UTC时间》中，我们讲述了计算机中UNIX时间戳和UTC时间的基本概念，以及简要地阐述了诸如STM32F103之类芯片简单功能RTC的时间转换问题，这篇文章将会夹带慢慢的干货，详细地讨论UTC时间和Linux时间戳转换的算法，这个经典的算法必将使你有一天会受用。

1 32位的UNIX时间戳

我们之前的文章有介绍过UNIX操作系统是伴随着C语言一起诞生的，其诞生的时间大致是在20世纪70年代左右，当时的计算机都是以8位，16位的数据宽度去处理数据的，因此在当时那个年代，找一个32位的寄存器来存储时间，是一件比较奢侈的事情。

最早的UNIX时间戳就只是用一个32位的寄存器来存储的。而UNIX时间戳规定，UTC/GMT的1970年1月1日0时0分0秒为UNIX时间戳的起始计数时刻，即UNIX时间戳从这个时间点开始技术。由于使用的变量是一个32位的二进制数，因此这个计数器的最大计数长度为2^32=4,294,967,296s，所以在UNIX时间戳的诞生之初，它最大时间只能累积计数到2038年左右。

但是，这是不是说到了2038年这个计数器溢出之后会发生类似“千年虫”之类的危机呢？这个问题，大家无需杞人忧天，因为现在的桌面和移动处理器早已经跨入64位CPU时代了，这个UNIX时间戳计数器的长度也早已经被扩充到64位。而我们今天使用32位的UNIX时间戳计数器，完全是为了类似STM32这种处理器来讲述的。

图1 溢出

2 UNIX时间戳转UTC时间

2.1 时分秒的转换

前面我们已经说过，UNIX时间戳是以UTC/GMT时间的1970年1月1日0时0分0秒为起始时刻进行计数的。考虑到这个UNIX时间戳的计数器的数据长度为32位，我们不妨先将这个UNIX时间戳计数器定义为一个变量，其名称为“u32UnixTimeStamp”。

首先，基于上述的阐述，我们思考下，当这个1970年1月1日0时0分0秒时刻过了1s，那么“u32UnixTimeStamp”变量的值也会自加1，变成1。

随着时间的流逝，“u32UnixTimeStamp”的值不断地自加，当“u32UnixTimeStamp”变成60的时候，我们回过头来再看看UTC时间，由于此时已经过了60s，因此UTC时间的秒数值将会溢出被清掉，分数值将会被置1。这个时候UTC的时间变成了1970年1月1日0时1分0秒.

再随着时间的流逝，当“u32UnixTimeStamp”的值变成3600的时候，此时1个小时已经悄然流逝，这个时候UTC的时间变成了1970年1月1日1时0分0秒。

86400秒流逝之后，“u32UnixTimeStamp”的值变成86400，此时正好24个小时过去，此时UTC时间变成了1970年1月2日0时0分0秒。

其实，当UNIX时间戳的计数值小于86400的时候，我们很容易就能写出转换成UTC时间的程序，因为小时数就是“u32UnixTimeStamp”对3200取模，分数就是将不能凑满小时的“u32UnixTimeStamp”对60取模，剩余不能凑满分数的“u32UnixTimeStamp”即为当前时间的秒数，具体代码如图2所示。

图2 计算一天之内时分秒的代码

#include <stdio.h>#include "timex_test1.h"utc_t UtcTime;int main(void) { int retVal; int u32UnixTimeStamp = 0; int hour, minute, sec; printf("input the UNIX time stamp:"); scanf("%d", &u32UnixTimeStamp); if(u32UnixTimeStamp >= 86400) { printf("input out of range!\n"); retVal = 1; } else { hour = u32UnixTimeStamp / 3600; //计算小时 minute = (u32UnixTimeStamp - hour * 3600) / 60; //计算分 sec = (u32UnixTimeStamp - hour * 3600 - minute * 60); //计算秒 UtcTime.year = 1970; UtcTime.month = 1; UtcTime.date = 1; UtcTime.hour = 0 + hour; UtcTime.minute = 0 + minute; UtcTime.second = 0 + sec; printf("\nUTC time is : %dy - %dm - %dd\n", UtcTime.year, UtcTime.month, UtcTime.date); printf("\nUTC time is : %dh - %dm : %ds\n", UtcTime.hour, UtcTime.minute, UtcTime.second); retVal = 0; } return retVal;}

#ifndef __TIMEX_H_#define __TIMEX_H_

/*定义UTC时间结构体类型*/typedef struct { int year; int month; int date; int hour; int minute; int second;} utc_t;

#endif

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以上的代码是计算“u32UnixTimeStamp”小于86400时当前UTC时间的时分秒代码。其实，细心的读者可能会发现，这个86400数值代表的即是一天之内的UTC时分秒，那么如果当前的“u32UnixTimeStamp”计数值大于86400，我们该怎么处理呢？

我们先来从最简单的情况来推导。如果一个“u32UnixTimeStamp”为86401，那么此时我们可以知道，这个UNIX时间戳其实就是86400 + 1，已知当“u32UnixTimeStamp”为86400时，UTC时间将会变成1970年1月2日0时0分0秒，那么此时86401即为1970年1月2日0时0分0秒 + 1秒，即1970年1月2日0时0分1秒。由这个简单的推导，我们又可以将大于86400的数值拉到0~86400的范围之内了，同时，还可以得到一个和日期相关的“原子”单位，即“日”。

2.2 年月日的转换

接下来，我们将要再对“日”的上一层单位进行讨论，即“月”数值，这也将是这个程序最为复杂的一部分内容。

这个复杂点主要体现在两个方面：

（1）每个月的天数不等。众所周知，一年中每个月的天数都是不同的，1，3，5，7，8，10，12为大月，一个月有31天；4，6，9，11为小月，一个月有30天。

（2）闰年平年的影响。由于公历的偏差，导致了一年中最为特殊的一个月份2月，当此年为闰年时，2月份有29天，此年为平年时，2月份有28天。

上面两个原因，导致了年月日计算的复杂性。

但是，困难只是表面上的，我们仔细思考下，就很容易得出规律。这个规律的突破口即为闰年出现的时间，因为闰年每四年出现一次，那么我们可以列出从1970年开始的几个年份。如图3所示。

图3 1970年开始的年份闰年平年分布

由于闰年每四年出现一次，因此我们由图3中可以得出一个简单方法，即可以从1790年开始，每四年组成一个集合，每一个集合的都是由1年闰年加上3年平年组成的，它们的时间都是相等的，即126230400秒。

因此这个月数的求解步骤就可以变成：

（1）计算从1970年开始到当前的UNIX时间戳为止，一共过了多少个“集合年（平年+闰年）”；

（2）计算出当前的UNIX时间戳位于本“集合年“的哪一年，这样就可以判断当年年份是平年还是闰年；

（3）判断了当前年份是平年还是闰年之后，就可以推算出2月份有多少天，然后可以根据上述的递归法，求解出当前位于某一月，某一天。

首先，我们先来写代码，求出当前的年份。如图4所示。

图4 计算当前年份代码

得出当前年份之后，我们就可以很容易使用“能被4整除且不能被100整除，或者能被400整除的年份是闰年”这一条规则算出当年年份是闰年还是平年。

接着，我们可以直接将当前年份剩余的时间戳结合平年还是闰年，查表计算出当前的月份。

最后代码如图5所示。

图5 UNIX时间戳转UTC时间代码

#include <stdio.h>#include "timex_test2.h"utc_t UtcTime;int main(void) { int retVal; int u32UnixTimeStamp = 0; int hour, minute, sec; int flat_year_month_day[13] = {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31}; int leap_year_month_day[13] = {0, 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31}; int year_temp = 0; int day_temp = 0; unsigned int cnt_temp = 0; int is_leap_or_flat_year; int i; printf("input the UNIX time stamp:"); scanf("%d", &u32UnixTimeStamp);

cnt_temp = u32UnixTimeStamp; /*判断当前UNIX时间戳经过了多少个4年*/ while(cnt_temp >= 126230400) { year_temp ++; cnt_temp = cnt_temp - 126230400; } /*计算出当前的4年周期起始年份*/ UtcTime.year = UNIX_TIME_YEAR + (4 * year_temp); /*计算出当前的年份*/ /*这部分代码可使用循环做精简，为了直观，我将其写开*/ if(cnt_temp >= 31536000) { UtcTime.year ++; cnt_temp -= 31536000; /*Flat year*/ if(cnt_temp >= 31536000) { UtcTime.year ++; cnt_temp -= 31536000; /*Leap year*/ if(cnt_temp >= 31622400) { UtcTime.year ++; cnt_temp -= 31622400; /*Flat year*/ if(cnt_temp >= 31536000) { UtcTime.year ++; cnt_temp -= 31536000; } } } }

/*计算当前年份是平年还是闰年*/ if((((UtcTime.year % 4) == 0) && ((UtcTime.year % 100) != 0)) || ((UtcTime.year % 400) == 0)) { is_leap_or_flat_year = LEAP_YEAR; } else { is_leap_or_flat_year = FLAT_YEAR; } /*计算出不足一年剩余的天数*/ day_temp = cnt_temp / 86400;

/*剩余不足86400s的时间戳，计算出时间*/ UtcTime.hour = (cnt_temp - day_temp * 86400) / 3600; //Calculate hours UtcTime.minute = (cnt_temp - day_temp * 86400 - UtcTime.hour * 3600) / 60; //Calculate minutes UtcTime.second = cnt_temp % 60;

/*将天数结合平年还是闰年查表计算出当前的月份*/ UtcTime.month = 1; for(i = 0; i < 12; i ++) { if(is_leap_or_flat_year == FLAT_YEAR) { if(day_temp >= flat_year_month_day[i + 1]) { UtcTime.month ++; day_temp -= flat_year_month_day[i + 1]; } } else if(is_leap_or_flat_year == LEAP_YEAR) { if(day_temp >= leap_year_month_day[i + 1]) { UtcTime.month ++; day_temp -= leap_year_month_day[i + 1]; } } }

/*由于天数从1开始，因此需要加1*/

UtcTime.date = day_temp + 1;

printf("\nTime transform successfully\n"); printf("++++++++++++++++++++++++++++++++++\n"); printf("\nUTC time is : %dy - %dm - %dd\n", UtcTime.year, UtcTime.month, UtcTime.date); printf("\nUTC time is : %dh - %dm : %ds\n", UtcTime.hour, UtcTime.minute, UtcTime.second); printf("++++++++++++++++++++++++++++++++++\n"); printf("\n"); printf("\n"); return 0;}

#ifndef __TIMEX_H_#define __TIMEX_H_

/*定义UTC时间结构体类型*/typedef struct { int year; int month; int date; int hour; int minute; int second;} utc_t;

/*定义UNIX时间戳的起始UNIX时间*/#define UNIX_TIME_YEAR 1970#define UNIX_TIME_MONTH 1#define UNIX_TIME_DATE 1#define UNIX_TIME_HOUR 0#define UNIX_TIME_MINIUTE 0#define UNIX_TIME_SECOND 0#define LEAP_YEAR 1#define FLAT_YEAR 0

#endif

最后，我们可以使用在线工具来验证转换结果是否正确，可以参考下列链接的UNIX时间戳在线转换工具，链接：https://tool.lu/timestamp/

假设我们同时输入UNIX时间戳1615906780，可以得出转换的北京时间为2021-03-16 22:59:40，而我们程序转换得出的时间为2021-03-16 14:59:40，这两个结果看似有出入，其实是一致的，我们知道北京时间是东8区的时间，而UTC时间是0时区的时间，因此相差8小时。如图6所示。

图6 转换结果

下一期，我们将会讲述UTC时间如何转换成UNIX时间戳，以及如何进行时区转换。

聊聊时间（2）硬核算法篇——UNIX时间戳转UTC时间

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