一个轻巧高效的多线程c++stream风格异步日志(一)

前言

本文主要实现muduo的异步日志.省去boost库中特性的引用,轻巧简洁。

对于编程而言,日志是必不可少的,对于关键进程,日志通常需要记录： 
1.收到的每条内部消息id. 
2.收到的每条外部消息全文. 
3.发出的每条消息全文,每条消息都有全局唯一的id. 
4.关键内部状态变更，等等. 
5.每条日志都有时间戳,以方便的追踪分布式系统中一个时间的来龙去脉.

c++日志大体上有两种API风格: 
C/JAVA的printf(fmt, ...)风格： 
log_info(“received %d bytes from %s”, len, getName.c_str()); 
c++的stream<<风格： 
LOG_INFO << “received << len << bytes from << getName.c_str();

本文实现的是c++的stream风格, 优点是使用起来更自然，不用保持格式的一致性.

功能需求

常规的通用日志库如log4j/logback通常会提供丰富的功能,但不一定是必须的功能.

1.日志有多种级别：TRACE、DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL等。 
2.日志可能会有多个目的地：文件、socket、SMTP等。 
3.日志消息格式可配置。 
4.可设置运行时过滤器(filter)、控制不同的组件的日志消息级别和目的地.

这四项中,除了第一项之外,其余并非是必须的功能.本文内容只包含第一项功能. 
对于分布式系统中的服务进程而言,日志的目的地只有一个：本地文件,往网络写日志消息是不可靠的，另一个坏处就是网络带宽的消耗.

muduo日志格式如下，本日志对格式有所改动，但基本信息不变。

日期          时间   微妙   线程  级别  函数名   正文       源文件名: 行号20180802 12:42:50.621354 44321 WARN  main just test - test.cpp:445 20180802 12:42:50.621359 44321 INFO  main just test - test.cpp:446 20180802 12:42:50.621364 44321 ERROR main just test - test.cpp:447

• 时间戳精确到微妙，每条消息通过gettimeofday(2)获取当前时间.这样做不会有什么性能损失,在x86-64Linux上,gettimeofday()不是系统调用,不会陷入内核

• 打印线程ID,便于分析多线程程序时序,也可以检测死锁(未加入)

• 打印日志级别,通过查看有无ERROR日志快速定位

• 打印文件名和行号,修复问题不至于搞错对象

• 每条日志尽量占一行,便于分析日志

性能需求

只有日志库足够高效，程序员才敢在代码中输出足够多的诊断信息，减小运维难度，提升效率.它体现在：

• 每秒几千万条日志没有明显的性能损失

• 能应对一个进程产生大量日志数据的场景，如1GB/min。

• 不阻塞正常的执行流程

• 在多线程程序中，不造成争用

为了实现性能指标，本日志设计中几点优化：

• 时间戳字符串中的日期和时间两部分是缓存的,一秒之内的多条日志只需格式化微妙即可

• 日志消息 的前四段是定长的,可避免运行时字串长度的计算

• 线程id是预先格式化的字符串

• 原文件名部分通过编译期计算来获得,避免运行期strrchr()的开销

Logger实现

LogStream类

LogStream类，主要作用是重载<<操作符，将基本类型的数据格式成字符串通过append接口存入LogBuffer中。

#ifndef _LOG_STREAM_HH #define _LOG_STREAM_HH #include <stdio.h> #include <string.h> const int kSmallBuffer = 4096;const int kLargeBuffer = 4096;template<int SIZE>class LogBuffer{public:LogBuffer(): m_cur(m_data){}~LogBuffer(){//printf("%s", m_data); }void append(const char* /*restrict*/ buf, size_t len){// append partially if (/*implicit_cast<size_t>*/(avail()) > len){memcpy(m_cur, buf, len);m_cur += len;}}// write in m_data directly char* current() {  return m_cur; };int avail() const { return static_cast<int> (end() - m_cur); }void add(size_t len) { m_cur += len; }int length() const {return m_cur - m_data;}const char* data() const { return m_data; }private:const char* end() const { return m_data + sizeof(m_data); }char m_data[SIZE];char* m_cur;};class LogStream{public:LogStream();~LogStream();typedef LogBuffer<kSmallBuffer> Buffer;typedef LogStream self;self& operator<<(bool v);self& operator<<(short);self& operator<<(unsigned short);self& operator<<(int);self& operator<<(unsigned int);self& operator<<(long);self& operator<<(unsigned long);self& operator<<(long long);self& operator<<(unsigned long long);self& operator<<(const void*);self& operator<<(float v);self& operator<<(double);self& operator<<(char v);self& operator<<(const char *);void append(const char* data, int len) { return m_buffer.append(data, len); }const Buffer& buffer() const { return m_buffer; }private:LogStream(const LogStream& ls);         //no copyable LogStream& operator=(const LogStream& ls);template<typename T>void formatInteger(T v);Buffer m_buffer;static const int kMaxNumericSize = 32;};class Fmt{public:template<typename T>Fmt(const char* fmt, T val);const char* data() const { return m_buf; }int length() const { return m_length; }private:char m_buf[32];int m_length;};inline LogStream& operator<<(LogStream &s, const Fmt& fmt){s.append(fmt.data(), fmt.length());return s;}#endif

Logger类

Logger类，使用LogStream的<<操作符将文件名，日志级别，时间等信息格式好提前写入LogBuffer中. 
它实际上是一个临时对象,通过宏定义临时构造一个logger对象，构造的时候即将上面信息写入LogBuffer,之后通过stream()接口引用LogStream的<<操作符写入我们的日志信息. 
优点是 ：对于日志级别低的log那么它将是一个空的操作.

// CAUTION: do not write: // // if (good) //   LOG_INFO << "Good news"; // else //   LOG_WARN << "Bad news"; // // this expends to // // if (good) //   if (logging_INFO) //     logInfoStream << "Good news"; //   else //     logWarnStream << "Bad news"; // #define LOG_TRACE if (Logger::logLevel() <= Logger::TRACE) \Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::TRACE, __func__).stream()#define LOG_DEBUG if (Logger::logLevel() <= Logger::DEBUG) \Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::DEBUG, __func__).stream()#define LOG_INFO if (Logger::logLevel() <= Logger::INFO) \Logger(__FILE__, __LINE__).stream()#define LOG_WARN Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::WARN).stream()#define LOG_ERROR Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::ERROR).stream()#define LOG_FATAL Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::FATAL).stream()#define LOG_SYSERR Logger(__FILE__, __LINE__, false).stream()#define LOG_SYSFATAL Logger(__FILE__, __LINE__, true).stream()

它的成员结构如下图所示: 
Impl对象是个私有类,主要是为了闭源，构造Impl的时候后写入时间戳，日志级别，文件名等等. 
logLevel()、setlogLevel()、为两个静态成员函数，用于设置日志级别. 
setOutput()也是个静态成员函数，主要作用是重定向日志的输出.默认是输出至stdout.

#ifndef _LOGGER_HH #define _LOGGER_HH #include <string.h> #include "LogStream.hh" #include "TimeStamp.hh" // CAUTION: do not write: // // if (good) //   LOG_INFO << "Good news"; // else //   LOG_WARN << "Bad news"; // // this expends to // // if (good) //   if (logging_INFO) //     logInfoStream << "Good news"; //   else //     logWarnStream << "Bad news"; // #define LOG_TRACE if (Logger::logLevel() <= Logger::TRACE) \ Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::TRACE, __func__).stream()#define LOG_DEBUG if (Logger::logLevel() <= Logger::DEBUG) \ Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::DEBUG, __func__).stream()#define LOG_INFO if (Logger::logLevel() <= Logger::INFO) \ Logger(__FILE__, __LINE__).stream()#define LOG_WARN Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::WARN).stream() #define LOG_ERROR Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::ERROR).stream() #define LOG_FATAL Logger(__FILE__, __LINE__, Logger::FATAL).stream() #define LOG_SYSERR Logger(__FILE__, __LINE__, false).stream() #define LOG_SYSFATAL Logger(__FILE__, __LINE__, true).stream() class Logger {public:enum LogLevel{TRACE,DEBUG,INFO,WARN,ERROR,FATAL,NUM_LOG_LEVELS,};//compile time calculation of basename of source file class SourceFile {public:template<int N>inline SourceFile(const char (&arr)[N]):m_data(arr),m_size(N-1){const char* slash = strrchr(m_data, '/'); // builtin function if (slash){m_data = slash + 1;m_size -= static_cast<int>(m_data - arr);}}explicit SourceFile(const char* filename): m_data(filename){const char* slash = strrchr(filename, '/');if (slash){m_data = slash + 1;}m_size = static_cast<int>(strlen(m_data));}const char* m_data;int m_size;};Logger(SourceFile file, int line);Logger(SourceFile file, int line, LogLevel level);Logger(SourceFile file, int line, LogLevel level, const char* func);Logger(SourceFile file, int line, bool toAbort);~Logger();static void setLogLevel(LogLevel level);static LogLevel logLevel();LogStream& stream() { return m_impl.m_stream; }typedef void (*outputFunc)(const char *msg, int len);typedef void (*flushFunc)();static void setOutput(outputFunc);static void setFlush(flushFunc);private:Logger(const Logger &lg);           //no copyable Logger& operator=(const Logger &lg);class Impl {public:typedef Logger::LogLevel LogLevel;Impl(LogLevel level, int old_errno, const SourceFile& file, int line);void formatTime();void finish();TimeStamp m_time;LogStream m_stream;LogLevel m_level;int m_line;SourceFile m_fileBaseName;};Impl m_impl;};#endif

完成Logger即可直接使用了。 
直接通过宏LOG_DEBUG << 即可打印格式化好的日志信息. 只是默认输出到stdout. 
后面文章会给出日志文件类及异步线程类的实现.

LogStream及Logger cpp源码

//LogStream #include <stdio.h> #include <assert.h> #include <algorithm> #include "LogStream.hh" LogStream::LogStream(){}LogStream::~LogStream(){}LogStream& LogStream::operator<<(bool v){m_buffer.append(v ? "1" : "0", 1);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(short v){*this << static_cast<int>(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(unsigned short v){*this << static_cast<unsigned int>(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(int v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(unsigned int v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(long v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(unsigned long v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(long long v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(unsigned long long v){formatInteger(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(const void*){printf("undefine\n");}LogStream& LogStream::operator<<(float v){*this << static_cast<double>(v);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(double v){if(m_buffer.avail() >= kMaxNumericSize){int len = snprintf(m_buffer.current(), kMaxNumericSize, "%.12g", v);m_buffer.add(len);}return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(char v){m_buffer.append(&v, 1);return *this;}LogStream& LogStream::operator<<(const char *str){if(str){m_buffer.append(str, strlen(str));}else{m_buffer.append("(NULL)", 6);}return *this;}const char digits[] = "9876543210123456789";const char* zero = digits + 9;//convert to str template<typename T>size_t convert(char buf[], T value){T i = value;char *p = buf;do{int lsd = static_cast<int>(i % 10);i /= 10;*p++ = zero[lsd];} while(i != 0);if(value < 0){*p++ = '-';}*p = '\0';std::reverse(buf, p);return p - buf;}template<typename T>void LogStream::formatInteger(T v){if(m_buffer.avail() >= kMaxNumericSize){size_t len = convert(m_buffer.current(), v);m_buffer.add(len);}}template<typename T>Fmt::Fmt(const char* fmt, T val){m_length = snprintf(m_buf, sizeof(m_buf), fmt, val);assert(static_cast<size_t>(m_length) < sizeof(m_buf));}// Explicit instantiations template Fmt::Fmt(const char* fmt, char);template Fmt::Fmt(const char* fmt, short);template Fmt::Fmt(const char* fmt, unsigned short);template Fmt::Fmt(const char* fmt, int);template Fmt::Fmt(const char* fmt, unsigned int);template Fmt::Fmt(const char* fmt, long);template Fmt::Fmt(const char* fmt, unsigned long);template Fmt::Fmt(const char* fmt, long long);template Fmt::Fmt(const char* fmt, unsigned long long);template Fmt::Fmt(const char* fmt, float);template Fmt::Fmt(const char* fmt, double);//Logger #include <time.h> #include <stdint.h> #include <stdlib.h> #include <assert.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include "TimeStamp.hh" #include "Logger.hh" __thread char t_time[64];__thread time_t t_lastSecond;__thread char t_errnobuf[512];const char* strerror_tl(int savedErrno){return strerror_r(savedErrno, t_errnobuf, sizeof(t_errnobuf));}Logger::LogLevel g_logLevel = Logger::INFO;void Logger::setLogLevel(LogLevel level){g_logLevel = level;}Logger::LogLevel Logger::logLevel(){return g_logLevel;}const char* LogLevelName[Logger::NUM_LOG_LEVELS] ={"[TRACE]","[DEBUG]","[INFO ]","[WARN ]","[ERROR]","[FATAL]",};// helper class for known string length at compile time class T{public:T(const char* str, unsigned len):m_str(str),m_len(len){assert(strlen(str) == m_len);}const char* m_str;const unsigned m_len;};void defaultOutput(const char *msg, int len){size_t n = fwrite(msg, 1, len, stdout);(void)n;}void defaultFlush(){fflush(stdout);}Logger::outputFunc g_output = defaultOutput;Logger::flushFunc g_flush = defaultFlush;void Logger::setOutput(outputFunc out){g_output = out;}void Logger::setFlush(flushFunc flush){g_flush = flush;}Logger::Logger(SourceFile file, int line): m_impl(INFO, 0, file, line){}Logger::Logger(SourceFile file, int line, LogLevel level): m_impl(level, 0, file, line){}Logger::Logger(SourceFile file, int line, bool toAbort): m_impl(toAbort? FATAL:ERROR, errno, file, line){}Logger::Logger(SourceFile file, int line, LogLevel level, const char* func): m_impl(level, 0, file, line){m_impl.m_stream << '[' << func << "] ";}Logger::~Logger(){m_impl.finish();const LogStream::Buffer& buf(stream().buffer());g_output(buf.data(), buf.length());if (m_impl.m_level == FATAL){g_flush();abort();}}Logger::Impl::Impl(LogLevel level, int savedErrno, const SourceFile& file, int line): m_time(TimeStamp::now()),m_stream(),m_level(level),m_fileBaseName(file),m_line(line){formatTime();m_stream << LogLevelName[level] << ' ';m_stream << '[' << m_fileBaseName.m_data << ':' << m_line << "] ";if (savedErrno != 0){m_stream << strerror_tl(savedErrno) << " (errno=" << savedErrno << ") ";}}void Logger::Impl::finish(){m_stream<< '\n';}void Logger::Impl::formatTime(){int64_t microSecondsSinceEpoch = m_time.microSecondsSinceEpoch();time_t seconds = static_cast<time_t>(microSecondsSinceEpoch / TimeStamp::kMicroSecondsPerSecond);int microseconds = static_cast<int>(microSecondsSinceEpoch % TimeStamp::kMicroSecondsPerSecond);if (seconds != t_lastSecond){t_lastSecond = seconds;struct tm tm_time;::gmtime_r(&seconds, &tm_time); // FIXME TimeZone::fromUtcTime int len = snprintf(t_time, sizeof(t_time), "%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",tm_time.tm_year + 1900, tm_time.tm_mon + 1, tm_time.tm_mday,tm_time.tm_hour + 8, tm_time.tm_min, tm_time.tm_sec);assert(len == 19); (void)len;}Fmt us(".%06d ", microseconds);assert(us.length() == 8);m_stream << t_time << us.data();}

作者 —— 艾露米婭娜        

出处： https://www.cnblogs.com/ailumiyana/p/9519614.html