從JDK時間API演進，看時間處理

Posted 2023-01-15 sp42a

各語言平台都會提供時間處理API，視程式需求而定，它可能是個不起眼的API，然而如果經常處理時間，就會知道時間處理包含許多複雜因素。JDK目前在java.util套件提供Date與Calendar來處理時間，為了應付複雜的時間處理，JDK8納入了規範新時間處理API的JSR310。觀察從Date、Calendar到JSR310的演進，我們可瞭解到時間處理有哪些基本要素需要考量。

幾個需要知道的時間概念

多數程式語言或電腦系統計算時間的基準，是以epoch，也就是西元1970年1月1日0時起算的秒數或毫秒數，時間字串表示通常會顯示GMT字樣，GMT是指「格林威治標準時間」（Greenwich Mean Time），它是以觀察地球自轉而得，並以格林威治天文台為時間原點。實際上，epoch是使用UTC（Coordinated Universal Time），又稱為「世界統一時間」，也就是原子鐘的西元1970年1月1日0時。因為地球自轉會受到其它天體、自身潮汐等影響而出現偏差，為了讓UTC符合GMT，每隔一段時間UTC必須插入閏秒（Leap second），讓UTC與GMT保持在0.9秒之內的誤差，由於差別細微，多數情況下UTC與GMT意義相同，不過有些API會採用或區別不同名稱。

世界各地是以格林威治天文台時間為基準，然而每個國家或地區的日出時間有所不同，因此必須有所調整，稱之為「時差」，通常是以小時為單位。以台灣而言，位於格林威治天文台東邊，日出時間會快八個小時，因此時間表示會顯示「GMT +0800」。日出時間並非國家或地區制訂統一時間的標準，例如美國國土廣大，地區各自以日出時間為準反而會有所困擾，因而僅制定六個「時區」（Time zone），而中國現今只有一個時區，以北京時間為標準。除了時差與時區的考量之外，有些國家或地區還實施日光節約時間（Daylight saving time, DST），又稱為夏令時間，這是為了利用夏日較長的日照時間，達到節約能源的考量，各國實行規定並不相同，以美國為例，自2007年起，3月的第二個星期至11月的第一個星期日將時間提前一小時。

目前多數國家或地區採用的歷法為格里高利曆法（Gregorian calendar），為改革歐洲過去使用的儒略曆法（Julian calendar）而來，由教宗格列高利十三世在1582年頒行，改曆時將儒略曆1582年10月4日星期四的次日，訂為格里曆1582年10月15日星期五，每個國家改曆的時間不一，美國與英國都是在格里曆1752年9月14日星期四（也就是儒略曆1752年9月2日星期三的次日）改曆，Unix/Linux的cal指令支援改曆，因此在Unix/Linux中執行cal 1752，可看到9月的憑空少了11天。

被廢棄的java.util.Date？

Date類別實例反映的是UTC，建構Date實例時給予的long整數，代表著從epoch開始歷經的毫秒數，如果沒有給定就是依賴於JVM時間（透過System.currentTimeMillis()取得）。在JDK1.1前，Date還允許指定年、月、日、時、分、秒，也允許從字串剖析而得Date實例，或者是將Date實例格式化為字串表示，然而這兩個功能的建構式或相關方法，並不利於國際化（Internationalization），像是無法調整時區設定、自訂格式或進行本地化（Localization）等。被廢棄的相關方法之職責，轉由java.util.Calendar、java.text.DateFormat取代。

Date類別上大多數建構式與方法被廢棄，並不代表Date類別被廢棄。Date類別保留了Date()以及Date(long date)建構式。除了重新定義Object類別的五個方法之外，未被廢棄的方法僅留getTime()與setTime(long time)。這表示Date實例最後留下的職責就是作為值物件（Value object），用以代表某個瞬時（Instant）狀態，時間的年、月、日等訊息，為必要時才計算出來，這樣的物件容易傳遞，也是不少方法在介面上仍採用Date類別的原因之一。

然而可以看出，Date除了代表某個瞬時狀態外，並沒有計算其它時間資訊的能力，像是計算兩個Date的時間差、某個Date經過七天之後的時間等，單是使用Date來運算的話，開發者必須親自撰寫演算法，若對時間的需求涉及時差、時區或甚至日光節約時間時，程式將會更複雜。

接替職責的java.util.Calendar

JDK1.1發佈時，接替Date被廢棄方法職責的為java.util.Calendar與java.text.DateFormat。從Calendar的建構式Calendar(TimeZone zone, Locale aLocale)就可看出，它支援時區與本地化，並可以進行時間資訊計算，像是某設定時間歷經若干年、月、日後的時間，與另一時間物件進行比較等。Calendar實際上是個抽象類別，JDK提供的標準實作是java.util.GregorianCalendar，從名稱上可知實作了格里高利曆法，可透過工廠方法Calendar.getInstance()取得，預設改歷時間為1582年10月15日，可藉由setGregorianChange()方法指定。

GregorianCalendar需要時區資訊，以TimeZone類別代表，藉由時區資訊可得知當地實際時間，並支援如日光節約時間之運算，例如若時區設定為Asia/Taipei，而Calendar實例設定為1975年3月31日0時，使用add方法增加1日，會發現Calendar實例的時間是1975年4月1日1時，平白多了一個小時，這是因為台灣於某些時期也曾經實行過日光節約時間。

Calendar提供了時間計算的彈性，然而使用上過於複雜，如果只是需要電腦上的本地時間，不在乎時差或時區等相關資訊，或者想加上某個時段並格式化輸出，還得搭配DateFormat、Locale等寫上冗長的程式。

依時間概念分工的Joda-time與JSR310

使用Date來代表瞬時的問題，在於它的狀態是可變動的（Muttable），也就是說，若有個類別在建構實例時接受Date實例，即使該類別沒有提供其它方法來修改封裝的Date實例，依舊可透過Date的setTime()方法來修改Date狀態。類似地，Calendar也是可變動的，並有使用時API過於複雜問題，這使得開發者尋求其他時間API選擇。2005年Stephen Colebourne開發了Joda-Time，用以替代JDK的Date與Calendar，Stephen後來向JCP提交了JSR310，並成為該規格領導人，JSR310原本預計包括在JDK7，後來延遲至JDK8中兌現。

JSR310主要基於Joda-Time API，相關API座落在java.time套件，重要概念是基於不連續時間線（Discrete timeline），時間線上特定點為瞬間，由Instant類別代表，大致對應於Date，也就是相對於epoch的偏移量，不過支援至奈秒；時間線上的兩個瞬間的差為持續期間，由Duration類別定義，可精確至奈秒等級，如果有段程式需要34.5秒這樣的持續時間，就可以使用Duration實例作為代表；有些時間資訊是不完全的（Partial），例如5月26日就是不完全的時間資訊，代表任何年中的5月26日，可以使用MonthDay實例代表。容易與持續期間混淆的概念之一是時段，使用Period類別代表，基於日曆的年、月、日概念制訂，與持續期間區別的方式之一，就是思考日曆上不會有奈秒這樣的概念，因而像是兩天、三個月或四年，就可使用Period實例代表。

許多程式需要的時間概念並不需要時區或UTC偏移量，Calendar強迫你要接受或者自行抽取資訊，JSR310則將時區與UTC偏移量區隔出來，像是LocalDateTime、LocalDate、LocalTime是不帶有時區及UTC偏移量資訊的時間代表，OffsetDateTime、OffsetTime是加入UTC偏移量的代表，而ZonedDateTime則加入了時區規則，以上提及的JSR310等類別都設計為不可變動（Immutable），避免了上述Date與Calendar的問題。

從以上可看出，時間處理本身是很複雜的議題，事實上若要整個瞭解JSR310，也會是個龐大的工作，然而實際上應需求而定，你需要的也許僅是時間處理議題中某個部份。Joda-time或JSR310主要是將各種常用時間概念加以區分，如果你只是需要某個時間概念的表現或運算，只需要取用特定部份的API，從而化解了處理時間的繁瑣。JSR310也提供了Date與Calendar的銜接，讓開發者只需修改時間計算部份，而不需修改既有程式介面。作為JSR310參考實作，ThreeTen原始碼可在Github取得，目前已整合至OpenJDK中。