闰秒原理及其对计算机系统影响

（给ImportNew加星标，提高Java技能）

因为网上关于闰秒的原理和对系统影响描述不多且较模糊，因此写了此篇文章。

说到闰秒我们首先明确三个概念，世界时、原子时和世界协调时。

世界时（UT）：可以简单理解为以地球自转为标准的计时。

原子时（TAI）：国际原子时。采用基于铯原子（Cs 132.9）的能级跃迁原子秒作为时标。

原理就是，通过束缚态光子，影响原子核和其电子的耦合，产生能级跃迁。这种跃迁是根据光子环绕原子核的位置往复运动的。因此形成了稳定的间隔，而这种间隔就用来确定时间。大概是如下图所示：

世界协调时（UTC）：这个缩写比较诡异，是不能正常语法拼写出来的。

英语：Coordinated Universal Time ，法语：Temps Universel Coordonné

当时对于英法都想自己的语言成为世界协调时的缩写，因此争论不下，最后大家各退一步使用了 UTC（Universal Time Coordinated）作为其缩写。

世界协调时简单的说，就是以原子时为计量单位，来表示世界时。问题出现了，地球不是恒定转动的，而是越转越慢。当然这个慢是很细微的，不会是等几十年以后就不转了- -b

闰秒是一个一秒的调整，偶尔应用到协调世界时（UTC），以保持其时间接近平均太阳时间或世界时。没有这样的校正，地球旋转计算的时间会偏离原子时间。这个修正系统在1972年实施，已经插入了 27 个闰秒，最近在 2016 年 12 月 31 日 23:59:60 UTC，和下一个闰秒是否要加入尚在讨论当中。

具体来说，在所选择的 UTC 日期（一个月的最后一天，通常是 6 月 30 日或 12 月 31 日）的 23:59:59 和下一天的 00:00:00 之间插入正的闰秒。此闰秒在 UTC 时钟显示为 23:59:60。

负闰秒会在所选月份的最后一天的第二个 23:59:59，该日期的 23:59:58 将紧接在下一天的 00:00:00（负闰秒就很难见到啦，除非你现在开始从宇宙推地球让它转快点）。

这个是最近一个闰秒在www.time.gov 上的显示。

对于计算机来讲，我们如何同步到 UTC 时间呢？我们引进了 NTP 服务。

NTP（Network Time Protocol ）：主要是用来同步网络上各个计算机上的时间。

看起来好像很简单，但是在现在这个把时间掰成秒的快节奏社会，几秒的误差都可能造成很严重的问题。就像警匪片里行动前都要对表，计算机之间的时间也要统一，不然就会造成你一个人冲进匪窝，面对各式长枪短炮，大家还在外面数秒的尴尬情况。

NTP 版本 0 是在1985年实现的，最早运用在了 UNIX 系统上。基本上是现存最老的互联网协议之一了。最近一次更新是 2010 年的版本 4。

下图的老人家就是 NTP 之父，因为 NTP 引起的各种系统问题请直接算他头上。

当然，他已经退休，在家颐养天年。

NTP 服务呢类似于如下层方式传递时间信息，黄线是直连的，红线走网络。

我们在系统中可以使用 ntpstat （UNIX like 系统）来看到时间源的层信息。理论上层数越低越好，但是考虑到网络因素的影响。也不绝对。最高 15 层，16 层默认是失败。

如果我们接入了互联网，我们可以通过互联网同步到时间源。

好了。下面我们谈谈闰秒对系统的影响。

从上面的知识我们得知，独立自己一台机器，在没有进行任何时间补丁更新的情况下是不会出现闰秒的。因为你根本接受不到 NTP 服务器发出的闰秒计划信息 - -b

一些组织报告了在 2012 年 6 月 30 日闰秒之后由有缺陷的软件引起的问题。在报告问题的网站有：

reddit（Apache Cassandra）

Mozilla（Hadoop）

Qantas Airways

运行 Linux 的各种网站

旧版本的摩托罗拉 Oncore VP、UT、GT 和 M12 GPS 接收器有一个软件错误，如果没有闰秒安排在 256 周，将导致一天的单一时间戳关闭。2003 年 11 月 28 日，这实际发生了。午夜时分，该固件的接收机报告 2003 年 11 月 29 日一秒钟，然后恢复到 2003 年 11 月 28 日。

较老版本的 Trimble GPS 接收器具有软件缺陷，其将在 GPS 星座开始广播下一个闰秒插入时间（在实际闰秒之前几个月）时立即插入闰秒，而不是等待下一个闰秒发生。这使得接收者的时间在过渡期间暂停一秒钟。

较老版本的基准 Tymeserve 2100 GPS 接收机和 Symmetricom Tymeserve 2100 接收机也有与老版本的 Trimble GPS 接收机类似的缺陷，时间关闭一秒钟。一旦接收到消息，就应用闰秒的提前通知，而不是等待正确的日期。有针对此问题的固件升级。已经描述和测试了解决方法，但如果 GPS 系统重播广播，或者设备关闭电源，则问题会再次发生。

闰秒对商业部门的影响被描述为“一场噩梦”。由于金融市场容易受到技术和法律闰年问题的影响，洲际交易所母公司的 7 家结算公司和 11 家证券交易所，包括纽约证券交易所，在 2015 年 6 月 30 日的时候停止运营 61 分钟。

Cisco NEXUS 5000 系列操作系统 NX-OS（版本 5.0、5.1、5.2）的几个版本受到影响。

Google服务器不是在一天结束时插入闰秒，而是在闰秒之前在时间窗口上稍微延长秒数。因此没有受到影响。

其他的东西我们接触到的机会并不多。

主要对于系统运维的影响来自 Linux 服务器，Windows 不会受到任何系统级影响。

Linux受影响的内核版本：

linux-2.6.22 之前内核版本

linux-2.6.25 到 2.6.27 内核版本

linux-3.4 内核版本

linux-2.6.32 内核版本

查看内核版本命令

# uname -r

我们说的是内核版本，因此全部使用 linux内核的系统都会受到其影响。

原理

在标准的 UNIX 时间里会出现问题。

这是由 CLOCK_REALTIME 系统时钟保持的时间，几乎每个需要知道当前时间的应用程序都会使用。它定义为 1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UTC 后的秒数，但没有闰秒。系统时钟不能有时间 23:59:60，因为每分钟有 60 秒，每天有 86400 秒，这是系统定义死的。

普通的计算机时钟不够稳定，不能保证时间精确到每年增加一秒或两秒。但是当一个时钟与 NTP 服务器以毫秒的精度同步时，时钟无法插入闰秒才是一个真正的问题。

当闰秒插入 UTC 时，系统时钟跳过一秒，因为它不能被表示，并突然超过 UTC 一秒钟。有几种方式如何可以纠正时钟。

1. 最常见的方法是当时钟到达 00:00:00 UTC 时，简单地将时钟返回一秒钟。

这是在 Linux 内核中实现的。并且默认情况下，向后时间跳跃不是恰好在 00:00:00 发生，而是在第一次系统时钟更新。时钟重复大部分 23:59:59 秒，也是从 00:00:00 秒开始的一小部分。结果是时钟关闭一秒钟一秒钟。

下图显示了 NTPf 服务如何在 2015 年 6 月 30 日使用默认配置更改的 UTC 时间的 TAI 偏移。

这种调整方式我们称其为跳跃式调整。

此时 Linux 系统会出现一句告警：

kernel: [xxxxxx.xxxxxx] Clock: inserting leap second 23:59:60 UTC

闰秒代码从定时器那里中断处理程序，每次时钟中断触发时会调用 tick_do_update_jiffies 更新 jiffies 的值。而 jiffies 主要记录了系统启动以来产生的处理频次，通过 jiffies/Hz 可以得到系统启动了多少秒。

因此在这里需要对 xtime_lock 加入写锁。

闰秒代码调用 second_overflow 这个函数处理润秒，我们截取这个函数确定时间状态的一段判定。发现，

switch (time_state) {
case TIME_OK:    if (time_status & STA_INS)        time_state = TIME_INS;    else if (time_status & STA_DEL)        time_state = TIME_DEL;    break;
case TIME_INS:    if (xtime.tv_sec % 86400 == 0) {        xtime.tv_sec--;        wall_to_monotonic.tv_sec++;        /* The timer interpolator will make time change gradually instead * of an immediate jump by one second. */        time_interpolator_update(-NSEC_PER_SEC);        time_state = TIME_OOP;        clock_was_set();        printk(KERN_NOTICE "Clock: inserting leap second 23:59:60 UTC\n");    }    break;
case TIME_DEL:    if ((xtime.tv_sec + 1) % 86400 == 0) {        xtime.tv_sec++;        wall_to_monotonic.tv_sec--; /* Use of time interpolator for a gradual change of time */        time_interpolator_update(NSEC_PER_SEC);        time_state = TIME_WAIT;        clock_was_set();        printk(KERN_NOTICE "Clock: deleting leap second 23:59:59 UTC\n");    }    break;
case TIME_OOP:    time_state = TIME_WAIT;    break;case TIME_WAIT:    if (!(time_status & (STA_INS | STA_DEL))) time_state = TIME_OK;}

这里的 clock_was_set() 调用对 xtime_lock 的读锁，尴尬的是现在 xtime_lock 还处于锁状态，死锁发生。

在之后的patch 里面 Thomas Gleixner 在函数里去掉了 clock_was_set() 函数，问题解决。

--- a/kernel/time/ntp.c+++ b/kernel/time/ntp.c@@ -122,7 +122,6 @@ void second_overflow(void)*/time_interpolator_update(-NSEC_PER_SEC);    time_state = TIME_OOP;- clock_was_set();  printk(KERN_NOTICE "Clock: inserting leap second ""23:59:60 UTC\n");}
@@ -137,7 +136,6 @@ void second_overflow(void)*/  time_interpolator_update(NSEC_PER_SEC);  time_state = TIME_WAIT;- clock_was_set();  printk(KERN_NOTICE "Clock: deleting leap second "  "23:59:59 UTC\n");}