Python3中datetime时区转换介绍与踩坑

最近的项目需要根据用户所属时区制定一些特定策略，学习、应用了若干python3的时区转换相关知识，这里整理一部分记录下来。

下面涉及的几个概念及知识点：

GMT时间：Greenwich Mean Time， 格林尼治平均时间

UTC时间：Universal Time Coordinated 世界协调时，可以认为是更精准的GMT时间，但两者误差极小，在1s以内，一般可视为等同

LMT：Local Mean Time, 当地标准时间

Python中的北京时间：Python的标准timezone中信息中并没有Asia/Beijing，原因要追溯到国民政府期间上报给国际标准的五个时区城市没有北京，因此一般使用Asia/Shanghai获取东8区时间

Python使用到的时间相关函数及概念：

包含时区信息的datetime称为: offset-aware datetime，反之称为offset-naive datetime

pytz.timezone(x): pytz package中预定义的时区相关对象, pytz可通过 python3 -m pip install pytz 安装

datetime(...) : 直接指定year/month/day/hour/second生成naive datetime

datetime(...tzinfo=tz) : 直接指定year/month/day/hour/second+时区信息生成offset-aware datetime

datetime.now(): 生成当前默认时区的 naive datetime

datetime.now(tzinfo=tz): 生成指定时区的offset-aware datetime

datetime.strptime(string, format) : 生成当前默认时区的string、format表示的 naive datetime

datetime.replace(tzinfo=tz): 直接替换datetime 时区信息为tz时区offset-aware datetime--不针对时区进行任何转换

datetime.astimezone(tz): 将时间转换为新的tz时区的offset-aware datetime

下述代码示例中，由于云主机位于日本，所以默认时区为东9区(Asia/Tokyo)

Python中获取当前时刻时间：

In [1]: import pytz
 
In [2]: from datetime import datetime, timedelta
 
In [3]: datetime.now() # 默认时区当前时间
Out[3]: datetime.datetime(2021, 8, 1, 18, 36, 8, 352873)
 
In [4]: datetime.now(pytz.timezone('Asia/Tokyo')) # 指定Tokyo时区当前时间
Out[4]: datetime.datetime(2021, 8, 1, 18, 36, 25, 421048, tzinfo=<DstTzInfo 'Asia/Tokyo' JST+9:00:00 STD>)

可以看到，datetime.now()未指定时区时，获取到的对象是offset-navie datetime，而指定时区后则是offset-aware datetime，naive和aware的datetime是不可以执行比较、相减相关操作的，只有同类型的datetime才能求时间差值、比较大小，如下：

In [5]: datetime.now() - datetime.now(pytz.timezone('Asia/Tokyo'))
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
<ipython-input-5-8b6c111dc5de> in <module>
----> 1 datetime.now() - datetime.now(pytz.timezone('Asia/Tokyo'))
 
TypeError: can't subtract offset-naive and offset-aware datetimes
 
In [6]: datetime.now() - datetime.now() # 只有同样的offset-naive datetime才能求差值
Out[6]: datetime.timedelta(days=-1, seconds=86399, microseconds=999991)
In [8]: datetime.now(pytz.timezone('Asia/Tokyo')) - datetime.now(pytz.timezone('Asia/Tokyo')) # 同样的offset-aware datetime才能求差值
Out[8]: datetime.timedelta(days=-1, seconds=86399, microseconds=999976)

这里碰到了第一个坑，比如我们想获得北京时间2021年1月1日0点的datetime，然后将其转换为东京时间，直觉上我们很可能这么写：

In [19]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Asia/Shanghai')) # 这里获取北京时间20210101 0点的datetime
Out[19]: datetime.datetime(2021, 1, 1, 0, 0, tzinfo=<DstTzInfo 'Asia/Shanghai' LMT+8:06:00 STD>) # 注意获取的是LMT时间
In [21]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Asia/Shanghai')).astimezone(pytz.timezone('Asia/Tokyo')) # 将北京时转换为东京时间
Out[21]: datetime.datetime(2021, 1, 1, 0, 54, tzinfo=<DstTzInfo 'Asia/Tokyo' JST+9:00:00 STD>) # 获取的是日本标准时间JST+9
In [22]: datetime.now(pytz.timezone('Asia/Shanghai')) # 示例获取当前时刻北京时间
Out[22]: datetime.datetime(2021, 8, 1, 18, 11, 6, 706727, tzinfo=<DstTzInfo 'Asia/Shanghai' CST+8:00:00 STD>) # 获取的是中国标准时间(CST+8)

仔细一看，北京时间的0点转化为东京时间却是0:54,相差是54分钟，而不是1个小时，这就奇怪了，仔细一看tzinfo中的信息是LMT+8:06:00 STD，表示这是LMT时间，相比UTC快8小时6分钟，而不是东8区标准时间，而通过astimezone方法转换后得到的就是日本标准时间(东9区)，所以两者之前的差值并不是1小时整。

第一个坑究其原因，通过datetime(..tzinfo=..)指定时区获取的是LMT，而datetime.now(tz)、datetime.astimezone(tz) 获取的却是UTC(GMT)标准时间，LMT和GMT标准时间可能会有甚至十分钟级的差值，这已经足够影响到程序的正常逻辑了。

所以如果要保证获取标准时区的时间，建议避免使用Asia/Shanghai、Asia/Tokyo这类大洲/城市 字符串表示时间，而使用GMT、UTC这些无歧义的标准时区，如下：

In [45]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT-9'))
Out[45]: datetime.datetime(2021, 1, 1, 0, 0, tzinfo=<StaticTzInfo 'Etc/GMT-9'>) # 东9区应使用GMT-9

这里第二个坑出现了，由于历史原因，Python中timezone的表示中，时区偏移以西为正，以东为负，和我们熟悉的ISO标准刚好相反，所以东9区应该表示为Etc/GMT-9， 而Etc/GMT+9表示的其实是西9区,如下可以验证GMT-9与JST相差0， GMT+9与JST相差18小时(64800s):

In [50]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT-9')) - datetime(2021, 1, 1).astimezone(pytz.timezone('Asia/Tokyo'))
Out[50]: datetime.timedelta(0)
 
In [51]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT+9')) - datetime(2021, 1, 1).astimezone(pytz.timezone('Asia/Tokyo'))
Out[51]: datetime.timedelta(seconds=64800)

最后，获取指定时区2021年1月1日datetime的方式，以北京时间为例：

In [56]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT-8'))
Out[56]: datetime.datetime(2021, 1, 1, 0, 0, tzinfo=<StaticTzInfo 'Etc/GMT-8'>)
In [58]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT-8')).astimezone(pytz.timezone('Asia/Shanghai'))
Out[58]: datetime.datetime(2021, 1, 1, 0, 0, tzinfo=<DstTzInfo 'Asia/Shanghai' CST+8:00:00 STD>) # 可见GMT-8和东八区标准时间(CST+8)一致

进一步如果要获取指定时区零点的时间戳就很简单了：

In [44]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT0')).timestamp() # 获取格林尼治时区2021年1月1日0点时间戳
Out[44]: 1609459200.0

另外两种获取指定时区时刻的方法，此三种方式彼此等价：

In [51]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT0')) == datetime(2021, 1, 1).replace(tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT0'))
Out[51]: True
In [53]: datetime(2021, 1, 1, tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT0')) == datetime.strptime('20210101', '%Y%m%d').replace(tzinfo=pytz.timezone('Etc/GMT0'))