分布式系统中的时钟

我们常常在人生的大部分时间里，对事物的运作方式一无所知。大多数时候，这没什么大不了的，因为我们并不需要真正了解周围的一切是如何运作的。但有时，我们会意识到有多少复杂性被隐藏起来，被抽象出来，被巧妙地藏起来，以至于我们永远不需要去思考它们。

最近，我突然意识到，我竟然从未认真思考过一个我每天都在工作的小事：时间！我这辈子大部分时间都在使用电脑，一开始是科技的消费者，后来成了科技的创造者。直到我开始学习分布式系统（为了这个系列！），我才意识到，我对报时机制的了解远不如想象中那么多，更不用说我们每天使用的电脑是如何决定时间的了。

说到分布式计算，时间就是一个完全不同的概念。但在真正深入探讨分布式系统中的时间之前，我们首先需要了解单个机器是如何追踪时间的。那么，让我们开始了解究竟是什么让时间变得如此棘手。

追踪时间

如今，大多数设备都具备日期和时间的概念。除了一些“物联网”设备（例如树莓派），所有机器都具备时间概念。但它们是如何确定日期和时间的呢？

答案是：用时钟！乍一看，这似乎显而易见，但随着我们进一步理解，就会发现其中的奥妙。需要报时功能的计算机通常会内置一个时钟，它以集成电路的形式嵌入到硬件中。这个电路通常直接安装在主板上。这个小小的硬件被称为实时时钟（RTC）。

RTC 尤其有趣，因为它们配备了备用电源（例如电池），即使机器断电也能继续工作！这在今天看来或许显而易见，但 RTC 的使用在计算机发展史上却是一个相当重要的里程碑；早期的个人电脑实际上并没有内置 RTC，后来才被添加进来。现在，我们会发现冰箱和微波炉里都内置了这些小时钟！想想就觉得不可思议。

RTC 负责跟踪当前时间，我们可以将其视为一台机器的系统时钟。需要注意的是，该时钟特定于机器的“系统”；换句话说，机器执行的任何依赖于时间的进程、任务或工作都将固有地依赖于系统时钟指示的时间。

那么，这个物理时钟究竟是如何工作的呢？原来，在集成电路的深处有一个晶体，它会振动或振荡；它被称为晶体振荡器。

我们无需深入探究其背后的物理学原理，就我们的目的而言，我们真正需要知道的是，时钟可以捕捉并计数晶体的振动。当晶体振动时，时钟以滴答声的形式记录每次振动，通过一次又一次的计数，时钟便可跟踪时间。当然，这引出了一个问题：时钟在哪里记录它所记录的每个滴答声。物理时钟使用二进制计数器电路（一种只进行二进制计数的简单电路）来存储这些滴答声。方便的是，机器从二进制计数器电路（系统时钟）获取系统时间。事实上，正如机器有系统时钟一样，它也有基于该时钟的时间概念！

系统时间的一个有趣之处在于，它总是根据系统时钟的开始时间计算时间。这意味着，如果我们将新电脑上的系统时钟设置为慢五分钟或快两天，那么我们系统时间的起点，或者说我们开始计时的“零点”，最终要么慢五分钟，要么快两天。换句话说，我们将根据我们设定的日期或时间来测量“滴答”，而不是实际时间。

为了避免这个问题带来的一些混淆，大多数机器在决定起点时都遵循某种约定。例如，搭载 Unix 操作系统的机器已经标准化了Unix 时间，这是一种决定我们开始计算时间的“零点”应该在哪里的方法。对于 Unix 时间，起点或“零点”是Unix 纪元的开始，即 1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UT（世界时）。纪元应该是任意的；它只不过是我们开始测量时间的约定起始日期和时间。我个人最喜欢的纪元是 Microsoft Excel 程序的纪元，即 1990 年 1 月 0 日！（对于对纪元好奇的人，请查看这个详尽的列表。）

不同步，失控

既然我们知道时钟可以在任意时间开始“计数”，那么现在该添加另一个因素了。也就是说，如果我们有多个时钟会发生什么？这时，事情就开始变得有点不同步了。

由于每台机器都有自己的时间概念，我们可以假设两台不同的机器对时间的概念也各不相同。但事情由此开始变得有点复杂：如果两台不同的机器对时间的概念不同，我们又如何确定它们是一样的呢？

不幸的是，计算机时钟并不一致。

我们已经知道，每个时钟对于开始计数的时间和“零点”都有不同的理解，而且一个时钟可能与另一个时钟不一致。然而，值得一提的是，并非所有时钟都是精确的，有些时钟比其他时钟更精确。随着时间的推移，时钟每一次“滴答”的精确度确实会开始影响时钟如何计时。

例如，典型的石英钟会在11或12天内出现大约一秒的误差。这是由于石英钟在走时测量一秒的时间时，会产生微小的误差。一秒的误差看似微不足道，但随着时间的推移，微小的误差就会累积起来！时钟的精确度可能会受到温度、位置、时钟电源，甚至时钟的制造工艺的影响。

这种由于时钟精度有限而导致两个时钟计​​时不同的现象被称为时钟漂移。不幸的是，任何需要自行追踪时间的机器都会遇到这种情况。由于时钟漂移非常常见，我们经常会比较两个显示不同时间的时钟。这被称为时钟偏差，指的是两个时钟之间的时间差。

在一个完美的世界里，两个时钟的时间一致，我们永远不会遇到这两个问题！在这样的乌托邦里，时钟漂移和偏差都为零。

可惜，我们并非生活在这样的世界，所以在比较两台不同的机器及其时间时，我们必须同时考虑这两点。相反，我们生活在一个混乱且……分布式的世界。

没有一个时钟可以统治一切

我们已经讨论了很多关于时钟、它们的工作原理以及它们之间如何产生不一致的问题，但这与分布式系统究竟有什么关系呢？事实证明，所有这些关于时钟的讨论都指向了分布式系统的核心基础原则之一，而不知何故（！）我们却从未涉及过它。现在，终于到了讨论它的时候了。

众所周知，在分布式系统中，所有单独的组件都称为节点，它们各自独立，能够执行各自的工作。我们还了解到，每个节点都有自己的时间概念，并在内部跟踪自己的时间。将这两个事实结合在一起，我们得出一个结论：

分布式系统中没有真正的全局时钟。

系统中的每个节点都有自己的时间概念，分布式系统中没有一个中心化的位置来让节点确定实际时间。如果我们不那么在意时间，这或许就无关紧要了！我们在计算中频繁使用时间，尤其为了确定某个事件何时发生，以及哪个事件在另一个事件之前发生。

那么，如果分布式系统中没有全局时钟会发生什么呢？首先，我们无法知道任意两个事件发生的实际时间，也无法知道它们发生的顺序。这使得我们很难确定这两个事件在未来的调度安排。这也使得分布式系统很难调试，因为我们无法确定一个事件是否在另一个事件之前发生！

我们将在接下来的文章中更多地讨论时间和事件的顺序，希望我们能找到一些行之有效的解决方案来解决这个问题。在那之前，尽量不要看手表，也不要过多地考虑时间。

资源

分布式系统中的时钟和时间可能是最难理解的概念之一——尤其是对于分布式系统新手来说！好在市面上有大量的课程资料，对这类主题进行了详尽的讲解。以下是我最喜欢的一些资料，也是我在学习时钟和时间时所依赖的！

1. 计算机时钟如何工作？，网络时间基金会
2. 分布式系统中的时间，Brian Nielsen
3. 时钟和时间，Behzad Bordbar
4. 同步物理时钟，Srinivasan Seshan
5. 分布式系统基础，Ronald LeRoi Burback