为何time_t经localtime()与mktime()往返转换后有时无法得到原值？

问题 #

尝试对time_t执行往返转换：先通过struct tm *localtime(time_t t)将其转为struct tm，再通过time_t mktime(struct tm *tm)转回time_t。测试代码如下：

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

bool time_t_round_trip(time_t t) {
  struct tm *tm = localtime(&t);
  if (tm == NULL) {
    return false;
  }
  time_t t2 = mktime(tm);
  return t == t2;
}

#define HOUR 3600 /* when `time_t` is a count of seconds */

int main(void) {
  time_t now;
  time(&now);
  for (time_t t = 0; t <= now; t += HOUR) {
    if (!time_t_round_trip(t)) {
      printf("%lld %s", (long long) t, ctime(&t));
    }
  puts("Done");
  return 0;
}

代码在本地时区运行正常，但切换到部分其他时区时会失败。编译环境为GNU C17 (GCC) version 12.4.0 (x86_64-pc-cygwin)，依赖库版本包括GMP 6.3.0、MPFR 4.2.1、MPC 1.3.1、isl 0.26-GMP。

为测试更多时区，编写了遍历时区列表的代码：

const char *tzn[] = {
    "Africa/Abidjan", "Africa/Accra", ..., "Zulu", 0};

int set_tz(const char *tz) {
  if (tz) {
    if (setenv("TZ", tz, 1 /* overwrite */)) {
      return -1; // handle error
    }
    tzset();
    printf("### tz:'%s'\n", tz);
    fflush(stdout);
  }
}

int main(void) {
  for (size_t i = 0; tzn[i]; i++) {
    set_tz(tzn[i]);
    test_times();
  }
  puts("Done");
  return 0;
}

部分转换失败的时区及对应时间示例：

### tz:'Africa/Algiers'
309740400 Thu Oct 25 23:00:00 1979
### tz:'Africa/Casablanca'
504918000 Tue Dec 31 23:00:00 1985
### tz:'Africa/Juba'
1612126800 Sun Jan 31 23:00:00 2021
### tz:'Africa/Khartoum'
1509483600 Tue Oct 31 23:00:00 2017
...

请问为何该往返转换在部分时区无法得到原值？

原因分析与解决方案 #

核心原因：时区历史变更与struct tm信息丢失 #

这些转换失败的时间点，基本都对应时区的夏令时切换、标准偏移量调整这类历史事件：

• localtime把time_t转成本地时间的struct tm时，会丢掉原始time_t对应的UTC偏移量信息，只保留年、月、日、时、分、秒这些本地时间字段。
• 当这个本地时间在时区历史中存在歧义（一个本地时间对应多个UTC时间）或不存在的情况时，mktime会按照当前时区规则来解析，最终生成的time_t就会和原始值不一致。

举个实际例子：假设某个时区在1979年10月26日凌晨0点把时钟拨慢1小时（取消夏令时），那么本地时间Thu Oct 25 23:00:00 1979其实对应两个不同的time_t——切换前的UTC时间和切换后的UTC时间。localtime把原始time_t转成这个本地时间后，mktime只能选其中一个（通常是切换后的那个），自然就会出现往返不匹配的问题。

另外，部分时区曾调整过标准时区偏移（比如从UTC+2改成UTC+3），这类变更也会导致特定时间点的本地时间对应多个UTC时间，或者某个本地时间在时区规则里根本不存在，进而引发转换偏差。

解决方案 #

要实现可靠的time_t往返转换，得避开本地时区的歧义问题，或者保留关键信息：

1. 改用UTC时区转换：用gmtime（把time_t转成UTC时间的struct tm）和timegm（把UTC的struct tm转回time_t）替代localtime和mktime。UTC没有夏令时和偏移调整的问题，转换是双向唯一的。
   修改示例：

   bool time_t_round_trip_utc(time_t t) {
     struct tm *tm = gmtime(&t);
     if (tm == NULL) {
       return false;
     }
     time_t t2 = timegm(tm); // 注：timegm是GNU扩展，若需标准C可手动计算UTC偏移后用mktime
     return t == t2;
   }
   

2. 保留UTC偏移信息：如果必须用本地时区，转换时额外记录localtime返回的struct tm的tm_gmtoff字段（该字段记录本地时间与UTC的秒差，属于GNU扩展），转回时手动调整，避免歧义。
3. 使用专业时间库：比如ICU（International Components for Unicode）的时间处理模块，它能更精准地处理时区历史变更和歧义时间的解析。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者chux