五分鐘技術(shù)趣談 | 從0手寫一個多線程日志包

作者：李茂，單位：中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司

日志幾乎是每個實(shí)際的軟件項(xiàng)目從開發(fā)到最后實(shí)際運(yùn)行過程中都必不可少的東西，它對于查看代碼運(yùn)行流程，記錄發(fā)生的事情等方面都很重要。當(dāng)然，一個好的日志系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能準(zhǔn)確地記錄需要記錄的信息，同時兼具良好的性能。

Part 01、●?引言?●

可能大家會想，現(xiàn)在各種編程語言里面都有著各種各樣的日志處理函數(shù)，比如Java里面不僅僅可以通過System.out.print()方法打印日志，還有l(wèi)og4j等更為成熟的專業(yè)日志包可以進(jìn)行調(diào)用；不僅僅Java，PHP、Golang、Python等當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用的比較多的編程語言都提供了成熟的日志方法類或者日志包，甚至上古編程語言C++也提供了簡易的日志方法。那么讀者朋友們有興趣知道類似log4j這樣的日志包其底層到底是如何構(gòu)建高效率的日志處理方法嗎？亦或是未來遇到了這些日志包已經(jīng)無法滿足需求了，必須要自己寫高度定制化日志服務(wù)才能較好地處理等場景的時候。俗話說，技多不壓身，接下來，本文將從0開始探討和分析如何寫一個高可用的日志包。

Part 02、●?模型概述?●

通常來說，軟件應(yīng)用的日志分為兩個部分：前端部分以及后端部分，其中針對前端部分主要是開發(fā)者的應(yīng)用程序通過程序邏輯構(gòu)造需要打印的日志內(nèi)容，再通過調(diào)用日志打印方法進(jìn)行日志的打印。而后端則是像背后看不見的英雄一樣，主要負(fù)責(zé)把這些內(nèi)容實(shí)實(shí)在在地寫到既定的地方。

這樣的分工讓我們不自覺地便能套用上“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”數(shù)據(jù)模型。這種模型想必只要是計(jì)算機(jī)圈子的同學(xué)都不會陌生：各種經(jīng)典的數(shù)據(jù)隊(duì)列應(yīng)用如kafka、RocketMQ等，其中的用戶手冊中第一章必然會說說“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”兩者的關(guān)系。那么套用到本文日志模型里面，前端部分作為構(gòu)建日志內(nèi)容并調(diào)用日志方法的模塊，則能套用上“生產(chǎn)者”這一概念，而后端真正的日志處理部分則套用上“消費(fèi)者”這一概念。

圖1?生產(chǎn)者和消費(fèi)者關(guān)系圖

Part 03、●?問題分析?●

通常來講，計(jì)算機(jī)世界絕大多數(shù)應(yīng)用都采用了多線程處理的方式，以此來高效率地服務(wù)計(jì)算機(jī)使用者們，多線程就類似于買賣東西的窗口，多一個窗口就能在同一時間多服務(wù)一個客戶。我們先假設(shè)這些服務(wù)窗口都屬于上個世紀(jì)的形態(tài)，未進(jìn)行信息化升級，所有的服務(wù)流水、服務(wù)內(nèi)容等都記錄在紙上，那么窗口管理人員怎么來匯總這些信息呢？這個倒不是什么難題，聰明的讀者們也一定能想到：在下班后統(tǒng)一收集放在一起就可以了。如果要保證時間順序呢？也不難，按所有窗口紙張上記錄的服務(wù)時間排序再謄抄一份就可以了。那么終極問題來了，如果還要保證實(shí)時性呢？那要不再加派一人，只要某個窗口完成了客人的服務(wù)，則馬上去該窗口收集實(shí)時的信息，然后交給后面的人立即謄抄匯總。

而本質(zhì)上多線程的日志問題和窗口信息傳遞問題基本一致，日志最終是落入計(jì)算機(jī)磁盤存儲，而日志所對應(yīng)的文件則屬于進(jìn)程獨(dú)占模式——同一個文件只能在一個時間里被一個進(jìn)程使用，如果不設(shè)成進(jìn)程獨(dú)占的方式，可以對應(yīng)想象上一段落所說的窗口匯總表，如果多個謄抄人同時在那張紙上寫來寫去會怎樣？

圖2 多線程日志整體關(guān)系圖

Part 04、●?日志包設(shè)計(jì)?●

多線程并發(fā)的目標(biāo)是提升整體性能，但是應(yīng)用程序采用了多線程的方式則會相應(yīng)地引入線程間上下文切換、內(nèi)存同步、賢臣阻塞等問題。而簡單處理這種問題的方式則是對線程進(jìn)行加鎖。其實(shí)在很多時候，并發(fā)編程提升性能優(yōu)化應(yīng)用能力方面主要就是圍繞如何優(yōu)化線程的鎖，一些方法論主要講述如何縮小鎖的范圍、減少鎖的粒度、鎖分段、避免熱點(diǎn)區(qū)域加串行鎖等進(jìn)行展開，圍繞這些方法論也誕生了讀寫鎖、分段鎖等方法。單獨(dú)針對日志文件采用讀寫鎖是比較合理的手段，即只在寫入的時候?qū)ξ募M(jìn)行加鎖，讀取的時候所有應(yīng)用都可以任意讀取文件獲取內(nèi)容，這樣既保證了寫入文件內(nèi)容的原子性也保證了其他業(yè)務(wù)能獲取日志的實(shí)時性。

解決了文件讀取的問題，那么在寫入日志文件的時候直接粗暴地加鎖會不會對整個應(yīng)用的性能造成重大影響呢？答案是肯定的，這樣做的結(jié)果就是整個應(yīng)用性能瓶頸都集中到了計(jì)算機(jī)磁盤性能上，很顯然，計(jì)算機(jī)的磁盤性能可不咋地。針對此，在日志包的設(shè)計(jì)上又想到了“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模型中的數(shù)據(jù)通道，簡單來說，這塊主要通過緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)，在常用的日志包設(shè)計(jì)上，多數(shù)都采用“雙緩沖區(qū)”的方式作為日志包的核心。

經(jīng)過以上梳理，整個日志包在設(shè)計(jì)思路上變得清晰了起來，即：

1)?在內(nèi)存中創(chuàng)建兩個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小視日志量和頻率大小而定，通常取4k左右。

2)?當(dāng)前端模塊往第一塊緩沖區(qū)寫入內(nèi)容時，后端模塊則將第二塊緩沖區(qū)的內(nèi)容寫入到文件。

3)?當(dāng)?shù)谝粔K緩沖區(qū)寫滿時，則交換順序，前端往第二塊緩沖區(qū)寫入內(nèi)容，而后端則將第一塊緩沖區(qū)內(nèi)容寫入到文件。

圖3 前臺模塊寫入第一塊緩沖區(qū)，后臺模塊將第二塊緩沖區(qū)內(nèi)容寫入到文件

圖4 前臺模塊寫入第二塊緩沖區(qū)，后臺模塊將第一塊緩沖區(qū)內(nèi)容寫入到文件

當(dāng)然，僅僅這樣還不足以作為成熟而高效的日志包，在緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)上還需考慮寫入文件的實(shí)時性，即當(dāng)緩沖區(qū)一直寫不滿時需在固定的時間進(jìn)行緩沖區(qū)的強(qiáng)制切換，以保證日志文件中能讀取到較為實(shí)時的日志內(nèi)容。

在一些日志文件處理細(xì)節(jié)問題上，如程序突然退出時截獲系統(tǒng)信號，盡可能將剩余日志內(nèi)容寫入到文件以便后續(xù)跟蹤問題等；在不借助第三方工具狀態(tài)下，使用兩級文件指針的方式，保證按固定時間分割的日志不會出現(xiàn)日志消失等情況。

在日志包對外暴露的方法上，同大多數(shù)日志包一樣，提供分級的日志打印方式，并設(shè)計(jì)模板變量以支持任意格式的日志內(nèi)容，同時還提供輸出格式方法以及日志文件分割方法以便進(jìn)行便利的日志包配置。

在綜合考慮這些問題后，整個流程如下：

圖5 整體流程圖

Part 05●?總結(jié)?●

以上便是日志包的主要設(shè)計(jì)思路，從這樣的設(shè)計(jì)思路中我們可以看到，整個設(shè)計(jì)上主要就是如何對抗以下兩個核心問題：

第一個是應(yīng)程序中多線程的資源搶占問題，第二個便是計(jì)算機(jī)磁盤的低效率問題。

該日志包已經(jīng)在移動OneNET公有云平臺、城市物聯(lián)網(wǎng)平臺等平臺里面發(fā)光發(fā)熱，體量最大的公有云平臺日均處理日志量已超過4億條。當(dāng)然，在日志包這一模塊過后，如果還需補(bǔ)充完整整個日志系統(tǒng)，后續(xù)的日志采集、日志落庫、日志分析等又是一個有一個新的技術(shù)探索領(lǐng)域。