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Date和Calendar

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在计算机中,应该如何表示日期和时间呢?

我们经常看到的日期和时间表示方式如下:

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

如果直接以字符串的形式存储,那么不同的格式,不同的语言会让表示方式非常繁琐。

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:

┌──┬──┬──┬──┐
│00│01│e2│08│
└──┴──┴──┴──┘

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:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 123400;
        // 123400
        System.out.println(n);
        // 1e208
        System.out.println(Integer.toHexString(n));
        // $123,400.00
        System.out.println(NumberFormat.getCurrencyInstance(Locale.US).format(n));
    }
}

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:

1574208900 = 北京时间2019-11-20 8:15:00
           = 伦敦时间2019-11-20 0:15:00
           = 纽约时间2019-11-19 19:15:00

localtime

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是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:

import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前时间:
        Date date = new Date();
        System.out.println(date.getYear() + 1900); // 必须加上1900
        System.out.println(date.getMonth() + 1); // 0~11,必须加上1
        System.out.println(date.getDate()); // 1~31,不能加1
        // 转换为String:
        System.out.println(date.toString());
        // 转换为GMT时区:
        System.out.println(date.toGMTString());
        // 转换为本地时区:
        System.out.println(date.toLocaleString());
    }
}

注意getYear()返回的年份必须加上1900getMonth()返回的月份是0~11分别表示1~12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:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前时间:
        Date date = new Date();
        var sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        System.out.println(sdf.format(date));
    }
}

Java的格式化预定义了许多不同的格式,我们以MMME为例:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前时间:
        Date date = new Date();
        var sdf = new SimpleDateFormat("E MMM dd, yyyy");
        System.out.println(sdf.format(date));
    }
}

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:

import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取当前时间:
        Calendar c = Calendar.getInstance();
        int y = c.get(Calendar.YEAR);
        int m = 1 + c.get(Calendar.MONTH);
        int d = c.get(Calendar.DAY_OF_MONTH);
        int w = c.get(Calendar.DAY_OF_WEEK);
        int hh = c.get(Calendar.HOUR_OF_DAY);
        int mm = c.get(Calendar.MINUTE);
        int ss = c.get(Calendar.SECOND);
        int ms = c.get(Calendar.MILLISECOND);
        System.out.println(y + "-" + m + "-" + d + " " + w + " " + hh + ":" + mm + ":" + ss + "." + ms);
    }
}

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:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 当前时间:
        Calendar c = Calendar.getInstance();
        // 清除所有:
        c.clear();
        // 设置2019年:
        c.set(Calendar.YEAR, 2019);
        // 设置9月:注意8表示9月:
        c.set(Calendar.MONTH, 8);
        // 设置2日:
        c.set(Calendar.DATE, 2);
        // 设置时间:
        c.set(Calendar.HOUR_OF_DAY, 21);
        c.set(Calendar.MINUTE, 22);
        c.set(Calendar.SECOND, 23);
        System.out.println(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(c.getTime()));
        // 2019-09-02 21:22:23
    }
}

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

CalendarDate相比,它提供了时区转换的功能。时区用TimeZone对象表示:

import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TimeZone tzDefault = TimeZone.getDefault(); // 当前时区
        TimeZone tzGMT9 = TimeZone.getTimeZone("GMT+09:00"); // GMT+9:00时区
        TimeZone tzNY = TimeZone.getTimeZone("America/New_York"); // 纽约时区
        System.out.println(tzDefault.getID()); // Asia/Shanghai
        System.out.println(tzGMT9.getID()); // GMT+09:00
        System.out.println(tzNY.getID()); // America/New_York
    }
}

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+09:00Asia/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:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 当前时间:
        Calendar c = Calendar.getInstance();
        // 清除所有:
        c.clear();
        // 设置为北京时区:
        c.setTimeZone(TimeZone.getTimeZone("Asia/Shanghai"));
        // 设置年月日时分秒:
        c.set(2019, 10 /* 11月 */, 20, 8, 15, 0);
        // 显示时间:
        var sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        sdf.setTimeZone(TimeZone.getTimeZone("America/New_York"));
        System.out.println(sdf.format(c.getTime()));
        // 2019-11-19 19:15:00
    }
}

可见,利用Calendar进行时区转换的步骤是:

  1. 清除所有字段;
  2. 设定指定时区;
  3. 设定日期和时间;
  4. 创建SimpleDateFormat并设定目标时区;
  5. 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:

import java.text.*;
import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 当前时间:
        Calendar c = Calendar.getInstance();
        // 清除所有:
        c.clear();
        // 设置年月日时分秒:
        c.set(2019, 10 /* 11月 */, 20, 8, 15, 0);
        // 加5天并减去2小时:
        c.add(Calendar.DAY_OF_MONTH, 5);
        c.add(Calendar.HOUR_OF_DAY, -2);
        // 显示时间:
        var sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        Date d = c.getTime();
        System.out.println(sdf.format(d));
        // 2019-11-25 6:15:00
    }
}

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Date、Calendar和TimeZone;
  • 新的LocalDateTime、ZonedDateTime、ZoneId等。

分别位于java.utiljava.time包中。


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