日期与时间

日期与时间

日期与时间计算机处理的重要数据。绝大部分程序的运行都要和时间打交道。本节我们将详细讲解Java程序如何正确处理日期与时间

基本概念

在计算机中,我们经常需要处理日期和时间。

  • 这是日期:
    • 2019-11-20
    • 2020-1-1
  • 这是时间:
    • 12:30:59
    • 2020-1-1 20:21:59

日期是指某一天,它不是连续变化的,而是应该被看成离散的。而时间有两种概念

  • 一种是不带日期的时间,例如,12:30:59。
  • 另一种是带日期的时间,例如,2020-1-1 20:21:59,

只有这种带日期的时间能唯一确定某个时刻,不带日期的时间是无法确定一个唯一时刻的。
本地时间
当我们说当前时刻是2019年11月20日早上8:15的时候,我们说的实际上是本地时间。在国内就是北京时间。在这个时刻,如果地球上不同地方的人们同时看一眼手表,他们各自的本地时间是不同的
image
所以,不同的时区,在同一时刻,本地时间是不同的全球一共分为24个时区,伦敦所在的时区称为标准时区,其他时区按东/西偏移的小时区分,北京所在的时区是东八区
时区:
因为光靠本地时间还无法唯一确定一个准确的时刻,所以我们还需要给本地时间加上(这里的加上不是数学上的加,而是给出本地时间和所在的时区,可以表示一个唯一准确的时刻)一个时区。时区有好几种表示方式

  • 一种是以GMT或者UTC加时区偏移表示,例如:GMT+08:00或者UTC+08:00表示东八区。
    GMT和UTC可以认为基本是等价的,只是UTC使用更精确的原子钟计时,每隔几年会有一个闰秒,我们在开发程序的时候可以忽略两者的误差,因为计算机的时钟在联网的时候会自动与时间服务器同步时间。
  • 另一种是缩写,例如,CST表示China Standard Time,也就是中国标准时间。但是CST也可以表示美国中部时间Central Standard Time USA,因此,缩写容易产生混淆,我们尽量不要使用缩写
  • 最后一种是以洲/城市表示,例如,Asia/Shanghai,表示上海所在地的时区。特别注意城市名称不是任意的城市,而是由国际标准组织规定的城市

因为时区的存在,东八区的2019年11月20日早上8:15,和西五区的2019年11月19日晚上19:15,他们的时刻是相同的
image
时刻相同的意思就是,分别在两个时区的两个人,如果在这一刻通电话,他们各自报出自己手表上的时间,虽然本地时间是不同的,但是这两个时间表示的时刻是相同的
夏令时:
时区还不是最复杂的,更复杂的是夏令时。所谓夏令时,就是夏天开始的时候,把时间往后拨1小时,夏天结束的时候,再把时间往前拨1小时。我们国家实行过一段时间夏令时,1992年就废除了,但是矫情的美国人到现在还在使用,所以时间换算更加复杂。
image
因为涉及到夏令时,相同的时区,如果表示的方式不同,转换出的时间是不同的。我们举个栗子,对于2019-11-20和2019-6-20两个日期来说,假设北京人在纽约:

  • 如果以GMT或者UTC作为时区,无论日期是多少,时间都是19:00;
  • 如果以国家/城市表示,例如America/NewYork,虽然纽约也在西五区,但是,因为夏令时的存在,在不同的日期,GMT时间和纽约时间可能是不一样的:image

实行夏令时的不同地区,进入和退出夏令时的时间很可能是不同的。同一个地区,根据历史上是否实行过夏令时,标准时间在不同年份换算成当地时间也是不同的。因此,计算夏令时,没有统一的公式,必须按照一组给定的规则来算,并且,该规则要定期更新
:计算夏令时请使用标准库提供的相关类,不要试图自己计算夏令时。
本地化
在计算机中,通常使用Locale表示一个国家或地区的日期、时间、数字、货币等格式Locale由语言_国家的字母缩写构成,例如,zh_CN表示中文+中国,en_US表示英文+美国。语言使用小写,国家使用大写
对于日期来说,不同的Locale,例如,中国和美国的表示方式如下:

  • zh_CN:2016-11-30
  • en_US:11/30/2016

计算机用Locale在日期、时间、货币和字符串之间进行转换。一个电商网站会根据用户所在的Locale对用户显示如下:
image
小结

  • 在编写日期和时间的程序前,我们要准确理解日期时间时刻的概念。
  • 由于存在本地时间,我们需要理解时区的概念,并且必须牢记由于夏令时的存在,同一地区用GMT/UTC和城市表示的时区可能导致时间不同
  • 计算机通过Locale来针对当地用户习惯格式化日期、时间、数字、货币等。

Date和Calendar

在理解日期和时间的表示方式之前,我们先要理解数据的存储和展示
当我们定义一个整型变量并赋值时:int n = 123400;
编译器会把上述字符串(程序源码就是一个字符串)编译成字节码。在程序的运行期变量n指向的内存实际上是一个4字节区域:
image
注意到计算机内存除了二进制的0/1外没有其他任何格式。上述十六机制是为了简化表示
当我们用System.out.println(n)打印这个整数的时候,实际上println()这个方法在内部把int类型转换成String类型,然后打印出字符串123400
类似的,我们也可以以十六进制的形式打印这个整数,或者,如果n表示一个价格,我们就以$123,400.00的形式来打印它:
image
可见,整数123400是数据的存储格式,它的存储格式非常简单。而我们打印的各种各样的字符串,则是数据的展示格式展示格式有多种形式,但本质上它就是一个转换方法String toDisplay(int n) { ... }
理解了数据的存储和展示,我们回头看看以下几种日期和时间:

  • 2019-11-20 0:15:01 GMT+00:00
  • 2019年11月20日8:15:01
  • 11/19/2019 19:15:01 America/New_York

它们实际上是数据的展示格式,分别按英国时区、中国时区、纽约时区对同一个时刻进行展示。而这个“同一个时刻”在计算机中存储的本质上只是一个整数,我们称它为Epoch Time。Epoch Time是计算从1970年1月1日零点(格林威治时区/GMT+00:00)到现在所经历的秒数,例如:
1574208900表示从从1970年1月1日零点GMT时区到该时刻一共经历了1574208900秒,换算成伦敦、北京和纽约时间分别是:
image
image
因此,在计算机中,只需要存储一个整数1574208900表示某一时刻。当需要显示为某一地区的当地时间时,我们就把它格式化为一个字符串String displayDateTime(int n, String timezone) { ... }
Epoch Time又称为时间戳,在不同的编程语言中,会有几种存储方式

  • 以秒为单位的整数:1574208900,缺点是精度只能到秒;
  • 以毫秒为单位的整数:1574208900123,最后3位表示毫秒数
  • 以秒为单位的浮点数:1574208900.123,小数点后面表示零点几秒。

它们之间转换非常简单。而在Java程序中,时间戳通常是用long表示的毫秒数,即:long t = 1574208900123L;
转换成北京时间就是2019-11-20T8:15:00.123。要获取当前时间戳,可以使用System.currentTimeMillis(),这是Java程序获取时间戳最常用的方法。
标准库API:
我们再来看一下Java标准库提供的API。Java标准库有两套处理日期和时间的API

  • 一套定义在java.util这个包里面,主要包括DateCalendarTimeZone这几个类;
  • 一套新的API是在Java 8引入的,定义在java.time这个包里面,主要包括LocalDateTimeZonedDateTimeZoneId等。

为什么会有新旧两套API呢?因为历史遗留原因,旧的API存在很多问题,所以引入了新的API。
那么我们能不能跳过旧的API直接用新的API呢?如果涉及到遗留代码就不行,因为很多遗留代码仍然使用旧的API,所以目前仍然需要对旧的API有一定了解,很多时候还需要在新旧两种对象之间进行转换。
本节我们快速讲解旧API的常用类型和方法
Date:
java.util.Date用于表示一个日期和时间的对象,注意与java.sql.Date区分,后者用在数据库中。如果观察Date的源码,可以发现它实际上存储了一个long类型的以毫秒表示的时间戳

public class Date implements Serializable, Cloneable, Comparable<Date> {

    private transient long fastTime;

    ...
}

我们来看Date的基本用法
image
注意getYear()返回的年份必须加上1900,getMonth()返回的月份是011分别表示112月,所以要加1,而getDate()返回的日期范围是1~31,又不能加1。
打印本地时区表示的日期和时间时,不同的计算机可能会有不同的结果。如果我们想要针对用户的偏好精确地控制日期和时间的格式,就可以使用SimpleDateFormat对一个Date进行转换。它用预定义的字符串表示格式化

  • yyyy:年
  • MM:月
  • dd: 日
  • HH: 小时
  • mm: 分钟
  • ss: 秒

我们来看如何以自定义的格式输出
image
Java的格式化预定义了许多不同的格式,我们以MMM和E为例:
image
上述代码在不同的语言环境会打印出类似Sun Sep 15, 2019这样的日期。可以从JDK文档查看详细的格式说明。一般来说,字母越长,输出越长。以M为例,假设当前月份是9月:

  • M:输出9
  • MM:输出09
  • MMM:输出Sep
  • MMMM:输出September

Date对象有几个严重的问题:

  • 它不能转换时区,除了toGMTString()可以按GMT+0:00输出外,Date总是以当前计算机系统的默认时区为基础进行输出。
  • 此外,我们也很难对日期和时间进行加减,计算两个日期相差多少天,计算某个月第一个星期一的日期等。

Calendar:
Calendar可以用于获取并设置年、月、日、时、分、秒,它和Date比,主要多了一个可以做简单的日期和时间运算的功能
我们来看Calendar的基本用法
image
注意到Calendar获取年月日这些信息变成了get(int field),返回的年份不必转换,返回的月份仍然要加1,返回的星期要特别注意,1~7分别表示周日,周一,……,周六
Calendar只有一种方式获取,即Calendar.getInstance(),而且一获取到就是当前时间。如果我们想给它设置成特定的一个日期和时间,就必须先清除所有字段:
image
利用Calendar.getTime()可以将一个Calendar对象转换成Date对象,然后就可以用SimpleDateFormat进行格式化了。
TimeZone:
Calendar和Date相比,它提供了时区转换的功能时区用TimeZone对象表示
image
时区的唯一标识是以字符串表示的ID,我们获取指定TimeZone对象也是以这个ID为参数获取,GMT+09:00、Asia/Shanghai都是有效的时区ID。要列出系统支持的所有ID,请使用TimeZone.getAvailableIDs()。
有了时区,我们就可以对指定时间进行转换。例如,下面的例子演示了如何将北京时间2019-11-20 8:15:00转换为纽约时间:
image
可见,利用Calendar进行时区转换的步骤是:

  • 清除所有字段;
  • 设定指定时区;
  • 设定日期和时间;
  • 创建SimpleDateFormat并设定目标时区
  • 格式化获取的Date对象(注意Date对象无时区信息,时区信息存储在SimpleDateFormat中)。

因此,本质上时区转换只能通过SimpleDateFormat在显示的时候完成
Calendar也可以对日期和时间进行简单的加减
image
小结:

  • 计算机表示的时间是以整数表示的时间戳存储的,即Epoch Time,Java使用long型来表示以毫秒为单位的时间戳,通过System.currentTimeMillis()获取当前时间戳
  • Java有两套日期和时间的API:
    • 旧的DateCalendarTimeZone
    • 新的LocalDateTimeZonedDateTimeZoneId等。
  • 分别位于java.utiljava.time包中。

LocalDateTime

从Java 8开始,java.time包提供了新的日期和时间API,主要涉及的类型有:

  • 本地日期和时间:LocalDateTime,LocalDate,LocalTime;
  • 带时区的日期和时间:ZonedDateTime;
  • 时刻:Instant(某一时刻)
    • 时区:ZoneId,ZoneOffset;
  • 时间间隔:Duration。
  • 以及一套新的用于取代SimpleDateFormat的格式化类型DateTimeFormatter

和旧的API相比,新API严格区分了时刻本地日期本地时间带时区的日期时间,并且,对日期和时间进行运算更加方便。
此外,新API修正了旧API不合理的常量设计:

  • Month的范围用1~12表示1月到12月;
  • Week的范围用1~7表示周一到周日。
  • 最后,新API的类型几乎全部是不变类型(和String类似),可以放心使用不必担心被修改

LocalDateTime
我们首先来看最常用的LocalDateTime,它表示一个本地日期和时间
image
本地日期和时间通过now()获取到的总是以当前默认时区返回的,和旧API不同,LocalDateTime、LocalDate和LocalTime默认严格按照ISO 8601规定的日期和时间格式进行打印。
上述代码其实有一个小问题,在获取3个类型的时候,由于执行一行代码总会消耗一点时间,因此,3个类型的日期和时间很可能对不上(时间的毫秒数基本上不同)。为了保证获取到同一时刻的日期和时间,可以改写如下:

LocalDateTime dt = LocalDateTime.now(); // 当前日期和时间
LocalDate d = dt.toLocalDate(); // 转换到当前日期
LocalTime t = dt.toLocalTime(); // 转换到当前时间

反过来,通过指定的日期和时间创建LocalDateTime可以通过of()方法

// 指定日期和时间:
LocalDate d2 = LocalDate.of(2019, 11, 30); // 2019-11-30, 注意11=11月
LocalTime t2 = LocalTime.of(15, 16, 17); // 15:16:17
LocalDateTime dt2 = LocalDateTime.of(2019, 11, 30, 15, 16, 17);
LocalDateTime dt3 = LocalDateTime.of(d2, t2);

因为严格按照ISO 8601的格式,因此,将字符串转换为LocalDateTime就可以传入标准格式

LocalDateTime dt = LocalDateTime.parse("2019-11-19T15:16:17");
LocalDate d = LocalDate.parse("2019-11-19");
LocalTime t = LocalTime.parse("15:16:17");

注意ISO 8601规定的日期和时间分隔符是T标准格式如下:

  • 日期:yyyy-MM-dd
  • 时间:HH:mm:ss
  • 带毫秒的时间:HH:mm:ss.SSS
  • 日期和时间:yyyy-MM-dd'T'HH:mm:ss
  • 带毫秒的日期和时间:yyyy-MM-dd'T'HH:mm:ss.SSS

DateTimeFormatter:
如果要自定义输出的格式,或者要把一个非ISO 8601格式的字符串解析成LocalDateTime,可以使用新的DateTimeFormatter
image
LocalDateTime提供了对日期和时间进行加减的非常简单的链式调用
image
注意到月份加减会自动调整日期,例如从2019-10-31减去1个月得到的结果是2019-09-30,因为9月没有31日。
对日期和时间进行调整则使用withXxx()方法,例如:withHour(15)会把10:11:12变为15:11:12:

  • 调整年:withYear()
  • 调整月:withMonth()
  • 调整日:withDayOfMonth()
  • 调整时:withHour()
  • 调整分:withMinute()
  • 调整秒:withSecond()

示例代码如下:
image
同样注意到调整月份时,会相应地调整日期,即把2019-10-31的月份调整为9时,日期也自动变为30。实际上,LocalDateTime还有一个通用的with()方法允许我们做更复杂的运算。例如:
image
对于计算某个月第1个周日这样的问题,新的API可以轻松完成。要判断两个LocalDateTime的先后,可以使用isBefore()、isAfter()方法,对于LocalDate和LocalTime类似:
image
注意到LocalDateTime无法与时间戳进行转换,因为LocalDateTime没有时区,无法确定某一时刻。后面我们要介绍的ZonedDateTime相当于LocalDateTime加时区的组合它具有时区,可以与long表示的时间戳进行转换
Duration和Period:
Duration表示两个时刻之间的时间间隔。另一个类似的Period表示两个日期之间的天数
image
注意到两个LocalDateTime之间的差值使用Duration表示,类似PT1235H10M30S,表示1235小时10分钟30秒。而两个LocalDate之间的差值用Period表示,类似P1M21D,表示1个月21天。
Duration和Period的表示方法也符合ISO 8601的格式,它以P...T...的形式表示,P...T之间表示日期间隔,T后面表示时间间隔如果是PT...的格式表示仅有时间间隔利用ofXxx()或者parse()方法也可以直接创建Duration

Duration d1 = Duration.ofHours(10); // 10 hours
Duration d2 = Duration.parse("P1DT2H3M"); // 1 day, 2 hours, 3 minutes

有的童鞋可能发现Java 8引入的java.timeAPI。怎么和一个开源的Joda Time很像?难道JDK也开始抄袭开源了?其实正是因为开源的Joda Time设计很好,应用广泛,所以JDK团队邀请Joda Time的作者Stephen Colebourne共同设计了java.timeAPI。
小结:

  • Java 8引入了新的日期和时间API,它们是不变类默认按ISO 8601标准格式化和解析
  • 使用LocalDateTime可以非常方便地对日期和时间进行加减,或者调整日期和时间,它总是返回新对象
  • 使用isBefore()isAfter()可以判断日期和时间的先后;
  • 使用DurationPeriod可以表示两个日期和时间的“区间间隔”。

ZonedDateTime

LocalDateTime总是表示本地日期和时间,要表示一个带时区的日期和时间,我们就需要ZonedDateTime
可以简单地把ZonedDateTime理解成LocalDateTime加ZoneIdZoneId是java.time引入的新的时区类,注意和旧的java.util.TimeZone区别。
要创建一个ZonedDateTime对象,有以下几种方法,

  • 一种是通过now()方法返回当前时间:
    image
    观察打印的两个ZonedDateTime,发现它们时区不同,但表示的时间都是同一时刻(毫秒数不同是执行语句时的时间差)
  • 另一种方式是通过给一个LocalDateTime附加一个ZoneId,就可以变成ZonedDateTime:
    image
    以这种方式创建的ZonedDateTime,它的日期和时间与LocalDateTime相同,但附加的时区不同,因此是两个不同的时刻

时区转换:
要转换时区,

  • 首先我们需要有一个ZonedDateTime对象,
  • 然后,通过withZoneSameInstant()将关联时区转换到另一个时区,转换后日期和时间都会相应调整

下面的代码演示了如何将北京时间转换为纽约时间:
image
要特别注意,时区转换的时候,由于夏令时的存在,不同的日期转换的结果很可能是不同的。
涉及到时区时,千万不要自己计算时差,否则难以正确处理夏令时。
有了ZonedDateTime,将其转换为本地时间就非常简单:
image
转换为LocalDateTime时,直接丢弃了时区信息。
ZonedDateTime仍然提供了plusDays()等加减操作。
小结:

  • ZonedDateTime是带时区的日期和时间,可用于时区转换;
  • ZonedDateTime和LocalDateTime可以相互转换。

image

DateTimeFormatter

  • 使用旧的Date对象时,我们用SimpleDateFormat进行格式化显示。
  • 使用新的LocalDateTime或ZonedLocalDateTime时,我们要进行格式化显示,就要使用DateTimeFormatter。

和SimpleDateFormat不同的是,DateTimeFormatter不但是不变对象,它还是线程安全的。线程的概念我们会在后面涉及到。现在我们只需要记住:因为SimpleDateFormat不是线程安全的,使用的时候,只能在方法内部创建新的局部变量。而DateTimeFormatter可以只创建一个实例,到处引用
创建DateTimeFormatter时,

  • 我们仍然通过传入格式化字符串实现
    DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm");
    格式化字符串的使用方式与SimpleDateFormat完全一致。
  • 另一种创建DateTimeFormatter的方法是,传入格式化字符串时,同时指定Locale
    DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("E, yyyy-MMMM-dd HH:mm", Locale.US);
    这种方式可以按照Locale默认习惯格式化。

我们来看实际效果:
image
在格式化字符串中,如果需要输出固定字符,可以用'xxx'表示。
当我们直接调用System.out.println()对一个ZonedDateTime或者LocalDateTime实例进行打印的时候,实际上,调用的是它们的toString()方法,默认的toString()方法显示的字符串就是按照ISO 8601格式显示的,我们可以通过DateTimeFormatter预定义的几个静态变量来引用

var ldt = LocalDateTime.now();
System.out.println(DateTimeFormatter.ISO_DATE.format(ldt));
System.out.println(DateTimeFormatter.ISO_DATE_TIME.format(ldt));

得到的输出和toString()类似:

2019-09-15
2019-09-15T23:16:51.56217

小结:

  • 对ZonedDateTime或LocalDateTime进行格式化,需要使用DateTimeFormatter类;
  • DateTimeFormatter可以通过格式化字符串和Locale对日期和时间进行定制输出。

Instant

我们已经讲过,计算机存储的当前时间,本质上只是一个不断递增的整数。Java提供的System.currentTimeMillis()返回的就是以毫秒表示的当前时间戳。
这个当前时间戳在java.time中以Instant类型表示,我们用Instant.now()获取当前时间戳,效果和System.currentTimeMillis()类似:
image
实际上,Instant内部只有两个核心字段:

public final class Instant implements ... {
    private final long seconds;
    private final int nanos;
}

一个是以秒为单位的时间戳,一个是更精确的纳秒精度。它和System.currentTimeMillis()返回的long相比,只是多了更高精度的纳秒。
既然Instant就是时间戳,那么,给它附加上一个时区,就可以创建出ZonedDateTime:

// 以指定时间戳创建Instant:
Instant ins = Instant.ofEpochSecond(1568568760);
ZonedDateTime zdt = ins.atZone(ZoneId.systemDefault());
System.out.println(zdt); // 2019-09-16T01:32:40+08:00[Asia/Shanghai]

可见,对于某一个时间戳,给它关联上指定的ZoneId,就得到了ZonedDateTime,继而可以获得了对应时区的LocalDateTime
所以,LocalDateTime,ZoneId,Instant,ZonedDateTime和long都可以互相转换:
image
转换的时候,只需要留意long类型以毫秒还是秒为单位即可。
小结

  • Instant表示高精度时间戳,它可以和ZonedDateTime以及long互相转换。

最佳实践

由于Java提供了新旧两套日期和时间的API,除非涉及到遗留代码,否则我们应该坚持使用新的API
如果需要与遗留代码打交道,如何在新旧API之间互相转换呢?

  • 旧API转新API:
    如果要把旧式的Date或Calendar转换为新API对象,可以通过toInstant()方法转换为Instant对象,再继续转换为ZonedDateTime
// Date -> Instant:
Instant ins1 = new Date().toInstant();

// Calendar -> Instant -> ZonedDateTime:
Calendar calendar = Calendar.getInstance();
Instant ins2 = calendar.toInstant();
ZonedDateTime zdt = ins2.atZone(calendar.getTimeZone().toZoneId());

从上面的代码还可以看到,旧的TimeZone提供了一个toZoneId(),可以把自己变成新的ZoneId。

  • 新API转旧API:
    如果要把新的ZonedDateTime转换为旧的API对象,只能借助long型时间戳做一个“中转”
// ZonedDateTime -> long:
ZonedDateTime zdt = ZonedDateTime.now();
long ts = zdt.toEpochSecond() * 1000;

// long -> Date:
Date date = new Date(ts);

// long -> Calendar:
Calendar calendar = Calendar.getInstance();
calendar.clear();
calendar.setTimeZone(TimeZone.getTimeZone(zdt.getZone().getId()));
calendar.setTimeInMillis(zdt.toEpochSecond() * 1000);

从上面的代码还可以看到,新的ZoneId转换为旧的TimeZone,需要借助ZoneId.getId()返回的String完成。

在数据库中存储日期和时间:
除了旧式的java.util.Date,我们还可以找到另一个java.sql.Date,它继承自java.util.Date,但会自动忽略所有时间相关信息。这个奇葩的设计原因要追溯到数据库的日期与时间类型
在数据库中,也存在几种日期和时间类型:

  • DATETIME:表示日期和时间;
  • DATE:仅表示日期;
  • TIME:仅表示时间;
  • TIMESTAMP:和DATETIME类似,但是数据库会在创建或者更新记录的时候同时修改TIMESTAMP。

在使用Java程序操作数据库时,我们需要把数据库类型与Java类型映射起来。下表是数据库类型与Java新旧API的映射关系:
image
实际上,在数据库中,我们需要存储的最常用的是时刻(Instant),因为有了时刻信息,就可以根据用户自己选择的时区,显示出正确的本地时间。所以,最好的方法是直接用长整数long表示,在数据库中存储为BIGINT类型
通过存储一个long型时间戳,我们可以编写一个timestampToString()的方法,非常简单地为不同用户以不同的偏好来显示不同的本地时间
image
小结:

  • 处理日期和时间时,尽量使用新的java.time包;
  • 在数据库中存储时间戳时,尽量使用long型时间戳,它具有省空间,效率高,不依赖数据库的优点。

posted on 2022-02-24 11:12  朴素贝叶斯  阅读(908)  评论(0编辑  收藏  举报

导航