Java 8——日期时间工具库（java.time）

一.前言

在介绍Java SE 8中新的日期时间库前，先了解下Java 8之前的日期时间工具的诟病。

在Java SE 8前，日期时间工具库在java.util包中，包括：

• java.util.Date：表示日期和时间
• java.util.Calendar以及其实现子类：表示各种日历系统，常用的是格林威治日历java.util.GregorianCalendar
• java.util.TimeZone以及其实现子类：表示时区偏移量和夏令时

以及辅助其进行格式化和解析的工具库在java.text包中，包括：

• java.text.DateFormat：格式化日期时间和解析日期时间的工具抽象类
• java.text.SimpleDateFormat：DateDateFormat的实现

从以上的简述中，对java 8之前的日期时间库，有所宏观视觉。下面简要总结下其设计上的瑕疵和被开发者无限吐槽的诟病：

• 从以上的api上看，java 8之前的日期时间工具库缺乏年、月、日、时间、星期的单独抽象；
• Dater日期时间类既描述日期又描述时间，耦合，且Date不仅在java.util包中存在，在java.sql中也存在，重复名称，容易导致bug发生；
• api的设计上晦涩，难用，不够生动，难以以自然人类的思维理解日期时间。年月日需要从Calendar中获取。q；
• 最被开发者抱怨的是类型不安全，Calendar类中全局属性是可变的，在多线程访问时，会存在线程安全问题。SimpleDateFormat格式化和解析日期，需要使用年月日时分秒，所以持有了Calendar属性，导致其也是非线程安全；

// 以下都是Calendar中持有的全局属性
// 这些全局属性都是可变的，提供了set
protected int fields[];
transient private int stamp[];
protected long time;
protected boolean  isTimeSet;

// 在其子类GregorianCalendar中
private transient int[] zoneOffsets;

// setTime方法会调用此方法
// 该方法中修改了上述的很多全局属性
public void setTimeInMillis(long millis) {
        // If we don't need to recalculate the calendar field values,
        // do nothing.
        if (time == millis && isTimeSet && areFieldsSet && areAllFieldsSet
            && (zone instanceof ZoneInfo) && !((ZoneInfo)zone).isDirty()) {
            return;
        }
        time = millis;
        isTimeSet = true;
        areFieldsSet = false;
        computeFields();
        areAllFieldsSet = areFieldsSet = true;
}

所以在多线程环境中使用Calendar是非线程安全，多个线程修改其属性域会发生数据一致性和可见性问题。

在DateFormat中持有了Calendar属性，用于解析和格式化日期：

// 从注释上看，Calendar用于计算日期时间域
/**
 * The {@link Calendar} instance used for calculating the date-time fields
 * and the instant of time. This field is used for both formatting and
 * parsing.
 *
 * <p>Subclasses should initialize this field to a {@link Calendar}
 * appropriate for the {@link Locale} associated with this
 * <code>DateFormat</code>.
 * @serial
 */
protected Calendar calendar;

// Called from Format after creating a FieldDelegate
private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
                            FieldDelegate delegate) {
    // Convert input date to time field list
    calendar.setTime(date);

    boolean useDateFormatSymbols = useDateFormatSymbols();

    for (int i = 0; i < compiledPattern.length; ) {
        int tag = compiledPattern[i] >>> 8;
        int count = compiledPattern[i++] & 0xff;
        if (count == 255) {
            count = compiledPattern[i++] << 16;
            count |= compiledPattern[i++];
        }

        switch (tag) {
        case TAG_QUOTE_ASCII_CHAR:
            toAppendTo.append((char)count);
            break;

        case TAG_QUOTE_CHARS:
            toAppendTo.append(compiledPattern, i, count);
            i += count;
            break;

        default:
            subFormat(tag, count, delegate, toAppendTo, useDateFormatSymbols);
            break;
        }
    }
    return toAppendTo;
}

format方法中设置了全局成员Calendar的time，多线程访问时每次都会改变Calendar类，导致format格式化时会出现线程安全问题。所以DateFormat和其子类SimpleDateFormat都是非类型安全。

这个可以说是被开发者极度抱怨的。所以每次在使用日期格式工具时大多数都会重新new或者使用ThreadLocal。

基于此诸多问题，java设计者终于在Java SE 8中引入了新的日期时间库。新的日期时间库的易用程度会让你振服！下面开始进入主题，Java SE 8中的日期时间库java.time。

二.概览

先认识下joda项目，joda项目包括：

• Joda-Time - Basic types for Date and Time
• Joda-Money - Basic types for Money
• Joda-Beans - Next generation JavaBeans
• Joda-Convert - String to Object conversion
• Joda-Collect - Additional collection data structures

其中joda time是日期时间三方库，但是在java 8之前joda time其实是标准的日期时间库，其出色的语义表达，易用易于理解的api，类型安全的特性，大受开发者的追捧。而且其日历系统遵循的是IOS_8601国际标准，同时还包括其他的非标准的日历系统。支持时区、持续时间、格式化和解析功能。

在java 8之前可以依赖joda time三方库，使用其日期时间库。

但在java 8中提出了JSR 310: Date and Time API规范，该规范即新版的日期时间库java.time规约。可以说JSR-310的设计上汲取了大量的joda time的特性。新版本的日期时间库基于JSR 310: Date and Time API被开发，java.time是基于国际化标准日历系统（International Organization for Standardization）ISO_8601，同时java.time.chrono支持对全球日历系统的扩展。

JSR-310中设计的java.time包括年、月、星期、日期时间、持续时间段、瞬时、时钟、时区的抽象及处理。且api的设计上使用易读易于理解的名称和设计模式，让使用者欣然接受。而且提供旧版和新版api之间的互通以处理兼容性问题。

下面看张概览图，从宏观角度了解下java.time

• 第一层是对年、月、月中日、星期的抽象；
• 第二层是对日期、日期时间、时区的抽象，其中时区分为时区Id（Europe/Paris）和时区偏移量(Z/+hh:mm/-hh:mm)；
• 第三层是对区域时间和便宜时间的抽象；
• 第四层是对瞬时和时钟的抽象；
• 第五层是对时序时段和持续周期的抽象
• 右侧层是辅助工具类，如：日期时间格式、日期时间调整器、其他的日历系统；

java 8中日期时间库共分为五个package：

• java.time：基于ISO_8601日历系统实现的日期时间库
• java.time.chrono：全球日历系统扩展库，可以自行扩展
• java.time.format：日期时间格式，包含大量预定义的格式，可以自行扩展
• java.time.zone：时区信息库
• java.time.temporal：日期时间调整辅助库

关于日期时间库的使用详细过程，推荐查看oracle提供的java教程The Java™ Tutorials——Trail: Date Time

也可以查看我的github中java 8新特性代码：lixyou/java

三.java.time优点

1.设计

java.time中使用了大量的设计模式

• 工厂模式：now(）工厂方法直接生成当前日期时间或者瞬时；of()工厂方法根据年月日时分秒生成日期或者日期时间；
• 装饰模式：时区时间ZoneDateTime/便宜时间OffsetDateTime，都是在LocalDateTime的基础上加上时区/偏移量的修饰成为时区时间，然后可以进行时区转换；
• 建造者模式：Calendar中加入建造者类，用于生成新的Calendar对象；

2.命名

• java 8中的日期时间库类名、方法名命名上都是极其形象生动，易于理解，让开发者极易于使用——语义清晰精确！如：LocalDate中提供的now表示现在的日期，of用于年月日组成的日期（这里和英文中的of意义非常贴切），plus/minus加减等等；

3.合理的接口设计

• LocalDate表示日期，由年月日组成，提供了获取所在年，所在月，所在日的api，提供所在一年的第几天api，用于比较日期前后api，替换年份、月份、日的api，这些api使得日期或者日期时间的处理上得到的功能上的极大提升；
• 抽象出年、月、日、星期、日期、日期时间、瞬时、周期诸多接口，对事物本质有了细腻的抽象，并提供了相互转换的能力——提供极强的处理能力和语言表达能力；
• 对于遗留的日期时间库Calendar/Date/Timezone和新的日期时间库的互通性；
• 将全球的非标准日历系统单独抽象并支持扩展，从标准日历系统中隔离（符合设计原则：对修改关闭，对扩展开放）

四.补充

• 时区：时区是地球上的区域使用同一个时间定义。以前，人们通过观察太阳的位置（时角）决定时间，这就使得不同经度的地方的时间有所不同（地方时）。1863年，首次使用时区的概念。时区通过设立一个区域的标准时间部分地解决了这个问题。
  
  世界各个国家位于地球不同位置上，因此不同国家，特别是东西跨度大的国家日出、日落时间必定有所偏差。这些偏差就是所谓的时差。
  
  理论时区以被15整除的子午线为中心，向东西两侧延伸7.5度，即每15°划分一个时区，这是理论时区。理论时区的时间采用其*经线（或标准经线）的地方时。所以每差一个时区，区时相差一个小时，相差多少个时区，就相差多少个小时。东边的时区时间比西边的时区时间早。为了避免日期的紊乱，提出国际日期变更线的概念
  
  但是，为了避开国界线，有的时区的形状并不规则，而且比较大的国家以国家内部行政分界线为时区界线，这是实际时区，即法定时区。请参见时区列表。

• 子午线：经线也称子午线，和纬线一样是人类为度量而假设出来的辅助线，定义为地球表面连接南北两极的大圆线上的半圆弧。任两根经线的长度相等，相交于南北两极点。每一根经线都有其相对应的数值，称为经度。经线指示南北方向。

• 本初子午线：即0度经线，亦称格林尼治子午线或本初经线，是经过英国格林尼治天文台的一条经线（亦称子午线）。本初子午线的东西两边分别定为东经和西经，于180度相遇。

• 国际标准ISO 8601：是国际标准化组织的日期和时间的表示方法，全称为《数据存储和交换形式·信息交换·日期和时间的表示方法》。目前是2004年12月1日发行的第三版“ISO8601:2004”以替代1998年的第一版“ISO8601:1988”与2000年的第二版“ISO8601:2000”。
  
  年由4位数字组成YYYY，或者带正负号的四或五位数字表示±YYYYY。以公历公元1年为0001年，以公元前1年为0000年，公元前2年为-0001年，其他以此类推。应用其他纪年法要换算成公历，但如果发送和接受信息的双方有共同一致同意的其他纪年法，可以自行应用。
  
  月、日用两位数字表示：MM、DD。
  
  只使用数字为基本格式。使用短横线"-"间隔开年、月、日为扩展格式。
  
  ISO 8601:2004不再允许缺省（默认）世纪仅用两位数字表示年，这会与小时数的表示相混淆。而遵循ISO 8601:2000的GB/T 7408-2005，尚还存在这一问题。

• 协调世界时英语：Coordinated Universal Time，法语：Temps Universel Coordonné，简称UTC）：是最主要的世界时间标准，其以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于格林尼治标准时间。中华民国采用CNS 7648的《资料元及交换格式–资讯交换–日期及时间的表示法》（与ISO 8601类似）称之为世界协调时间。*采用ISO 8601:2000的国家标准GB/T 7408-2005《数据元和交换格式 信息交换 日期和时间表示法》中亦称之为协调世界时。
  
  协调世界时是世界上调节时钟和时间的主要时间标准，它与0度经线的平太阳时相差不超过1秒[4]，并不遵守夏令时。协调世界时是最接近格林威治标准时间（GMT）的几个替代时间系统之一。对于大多数用途来说，UTC时间被认为能与GMT时间互换，但GMT时间已不再被科学界所确定。
  
  如果时间是以协调世界时（UTC）表示，则在时间后面直接加上一个“Z”（不加空格）。“Z”是协调世界时中0时区的标志。因此，“09:30 UTC”就写作“09:30Z”或是“0930Z”。“14:45:15 UTC”则为“14:45:15Z”或“144515Z”。

• UTC偏移量：UTC偏移量用以下形式表示：±[hh]:[mm]、±[hh][mm]、或者±[hh]。如果所在区时比协调世界时早1个小时（例如柏林冬季时间），那么时区标识应为“+01:00”、“+0100”或者直接写作“+01”。这也同上面的“Z”一样直接加在时间后面。
  
  "UTC+8"表示当协调世界时（UTC）时间为凌晨2点的时候，当地的时间为2+8点，即早上10点。

• 格林尼治平时（英语：Greenwich Mean Time，GMT）：是指位于英国伦敦郊区的皇家格林尼治天文台当地的平太阳时，因为本初子午线被定义为通过那里的经线。
  
  自1924年2月5日开始，格林尼治天文台负责每隔一小时向全世界发放调时信息。
  
  格林尼治平时的正午是指当平太阳横穿格林尼治子午线时（也就是在格林尼治上空最高点时）的时间。由于地球每天的自转是有些不规则的，而且正在缓慢减速，因此格林尼治平时基于天文观测本身的缺陷，已经被原子钟报时的协调世界时（UTC）所取代。

参考

Trail: Date Time

Class DateTimeFormatter

Java 8新特性终极指南

Is java.util.Calendar thread safe or not?Ask

协调世界时

时区

ISO 8601

经线

[时区列表](https://zh.wikipedia.org/wiki/ %E6%97%B6%E5%8C%BA%E5%88%97%E8%A1%A8#UTC%EF%BC%88WET_-%E6%AD%90%E6%B4%B2%E8%A5%BF%E9%83%A8%E6%99%82%E5%8D%80%EF%BC%8CGMT-_%E6%A0%BC%E6%9E%97%E5%A8%81%E6%B2%BB%E6%A0%87%E5%87%86%E6%97%B6%E9%97%B4%EF%BC%89)