C++项目实战——基于多设计模式下的同步异步日志系统-⑩-异步缓冲区类与异步工作器类设计

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专栏导读
异步缓冲区设计思想
异步缓冲区类设计
异步工作器类设计
异步日志器设计

专栏导读

🌸作者简介：花想云 ，在读本科生一枚，C/C++领域新星创作者，新星计划导师，阿里云专家博主，CSDN内容合伙人…致力于 C/C++、Linux 学习。

🌸专栏简介：本文收录于 C++项目——基于多设计模式下的同步与异步日志系统

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为了避免因为写日志的过程阻塞，导致业务线程在写日志的时候影响其效率（例如由于网络原因导致日志写入阻塞，进而导致业务线程阻塞），因此我们需要设计一个异步日志器。

异步的思想就是不让业务线程进行日志的实际落地操作，而是将日志消息放到缓冲区（一块指定内存）当中，接下来有一个专门的异步线程，去针对缓冲区中的数据进行处理（实际落地操作）。

所以，异步日志器的实现思想：

设计一个线程安全的缓冲区；
创建一个异步工作线程，专门负责缓冲区中日志消息落地操作。

异步缓冲区设计思想

在任务池的设计中，有很多备选方案，比如队列、循环队列等，但是不管哪一种都会涉及到锁冲突的情况，因为在生产者与消费者模型中，任何两个角色之间具有互斥关系，因此每一次任务的添加与取出都有可能涉及锁的冲突。

所以我们采用双缓冲区的的设计思想，优势在于：

避免了空间的频繁申请与释放，且尽可能的减少了生产者与消费则之间锁冲突的概率，提高了任务处理效率。

双缓冲区的设计思想是：采用两个缓冲区，一个用来进行任务写入（push pool），一个进行任务处理（pop pool）。当异步工作线程（消费者）将缓冲区中的数据全部处理完毕之后，然后交换两个缓冲区，重新对新的缓冲区中的任务进行处理，虽然同时多线程写入也会产生冲突，但是冲突并不会像每次只处理一条的时候频繁（减少了消费者与生产者之间的锁冲突），且不涉及到空间的频繁申请释放所带来的的消耗。

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异步缓冲区类设计

类中包含的成员：

一个存放字符串数据的缓冲区（使用vector进行空间管理）；
当前写入数据位置的指针（指向可写区域的起始位置，避免数据的写入覆盖）；
当前读取数据位置的指针（指向可读区域的起始位置，当读取指针与写入指针指向相同的位置表示数据读取完了）；

类中提供的操作：

向缓冲区中写入数据；
获取可读数据起始地址的接口；
获取可读数据长度的接口；
移动读写位置的接口；
初始化缓冲区的操作（将读写位置初始化–在一个缓冲区所有数据处理完毕之后）；
提供交换缓冲区的操作（交换空间地址，并不交换空间数据）。

注意，缓冲区中直接存放格式化后的日志消息字符串，而不是LogMsg对象，这样做有两个好处：

减少了LogMsg对象频繁的构造的消耗；
可以针对缓冲区中的日志消息，一次性进行IO操作，减少IO次数，提高效率。

#ifndef __M_BUFFER_H__
#define __M_BUFFER_H__
#include "util.hpp"
#include <vector>
#include <cassert>

namespace LOG
{
    #define DEFAULT_BUFFER_SIZE (1 * 1024 * 1024)
    #define THRESHOLD_BUFFER_SIZE (8 * 1024 * 1024)
    #define INCREMENT_BUFFER_SIZE (1 * 1024 * 1024)
    class Buffer 
    {
    public:
        Buffer() : _buffer(DEFAULT_BUFFER_SIZE), _writer_idx(0), _reader_idx(0) {}
        // 向缓冲区中写入数据
        void push(const char* data, size_t len)
        {
            // 1.考虑空间不够则扩容
            ensureEnoughSize(len);
            // 2.将数据拷贝到缓冲区
            std::copy(data, data + len, &_buffer[_writer_idx]);
            // 3.将当前写入位置向后偏移
            moveWriter(len);
        }
        // 返回可读数据的起始地址
        const char* begin()
        {
            return &_buffer[_reader_idx];
        }
        // 返回可写数据的长度
        size_t writeAbleSize()
        {
            // 对于扩容思路并没有用， 仅针对固定大小缓冲区
            return (_buffer.size() - _writer_idx);
        }
        // 返回可读数据的长度
        size_t readAbleSize()
        { 
            return (_writer_idx - _reader_idx);
        }
        // 重置读写位置
        void reset()
        {
            _writer_idx = 0;
            _reader_idx = 0;
        }
        // 对buffer实现交换操作
        void swap(Buffer & buffer)
        {
            _buffer.swap(buffer._buffer);
            std::swap(_reader_idx, buffer._reader_idx);
            std::swap(_writer_idx, buffer._writer_idx);
        }
        // 判断缓冲区是否为空
        bool empty()
        {
            return (_reader_idx == _writer_idx);
        }
    private:
        void ensureEnoughSize(size_t len)
        {
            if(len < writeAbleSize()) return;
            size_t new_size = 0;
            if(_buffer.size() < THRESHOLD_BUFFER_SIZE)
            {
                new_size = _buffer.size() * 2 + len; // 小于阈值则翻倍增长
            }
            else
            {
                new_size = _buffer.size() + INCREMENT_BUFFER_SIZE + len;
            }
            _buffer.resize(new_size);
        }
        // 对读指针进行向后偏移操作
        void moveReader(size_t len)
        {
            assert(len <= readAbleSize());
            _reader_idx += len;
        }
        // 对写指针进行向后偏移操作
        void moveWriter(size_t len)
        {
            assert(len + _writer_idx<= _buffer.size());
            _writer_idx += len;
        }
    private:
        std::vector<char> _buffer;
        size_t _reader_idx; // 当前可读数据的指针
        size_t _writer_idx; // 当前可写数据的指针
    };
}
#endif

异步工作器类设计

异步工作器的主要任务是，对缓冲区中的数据进行处理，若处理缓冲区中没有数据了则交换缓冲区。

异步工作器类管理的成员有：

双缓冲区（生产，消费）；
互斥锁：保证线程安全；
条件变量-生产&消费：生产缓冲区中没有数据，处理完消费缓冲区数据后就休眠；
回调函数：针对缓冲区中数据的处理接口——外界传入一个函数，告诉异步日志器该如何处理。

异步工作器类提供的操作有：

停止异步工作器；
添加数据到缓冲区；

私有操作：

创建线程；
线程入口函数：在线程入口函数中交换缓冲区，对消费缓冲区数据使用回调函数进行处理，处理完后再次交换；

#ifndef __M_LOOPER_H__
#define __M_LOOPER_H__
#include "buffer.hpp"
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <atomic>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <memory>

namespace LOG
{
    using Functor = std::function<void(Buffer &)>;
    enum class AsyncType
    {
        ASYNC_SAFE, // 安全状态， 表示缓冲区满了则阻塞，避免资源耗尽的风险
        ASYNC_UNSAFE // 不考虑资源耗尽的问题
    };

    class AsyncLooper
    {
    public:
        using ptr = std::shared_ptr<AsyncLooper>;

        AsyncLooper(const Functor& cb, AsyncType looper_type = AsyncType::ASYNC_SAFE)
            :_looper_type(looper_type),
            _stop(false),
            _call_back(cb),
            _thread(std::thread(&AsyncLooper::threadEntry, this))
        {}

        ~AsyncLooper() { stop(); }

        void stop() 
        {
            _stop = true; // 将退出标志设置为true
            _con_cond.notify_all(); // 唤醒所有工作线程
            _thread.join(); // 等待工作线程退出
        }
        void push(const char* data, size_t len)
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
            // 条件变量控制，若缓冲区剩余空间大小等于数据长度，则可以添加数据
            if(_looper_type == AsyncType::ASYNC_SAFE)
                _pro_cond.wait(lock, [&](){ return _pro_buf.writeAbleSize() >= len; });
            // 能够走下来说明条件满足，可以向缓冲区添加数据了
            _pro_buf.push(data, len);
            // 唤醒消费者对缓冲区中的数据进行处理
            _con_cond.notify_one();
        }
    private:
        // 线程入口函数 -- 对消费者缓冲区中的数据进行处理，处理完毕后，初始化缓冲区，交换缓冲区
        void threadEntry()
        {
            // 为互斥锁设置一个声明周期，当缓冲区交换完毕就解锁
            while(1)
            {
                {
                    // 1.判断生产缓冲区有没有数据，有则交换，无则阻塞
                    std::unique_lock<std::mutex> lock(_mutex);
                    if(_stop && _pro_buf.empty()) break;
                    // 若当前是退出前被唤醒或者是有数据被唤醒，则返回真，继续向下运行，否则重新进入休眠
                    _con_cond.wait(lock, [&](){ return _stop || !_pro_buf.empty(); });
                    _con_buf.swap(_pro_buf);
                    // 2.唤醒生产者
                    if(_looper_type == AsyncType::ASYNC_SAFE)
                        _pro_cond.notify_all();
                }
                // 3.被唤醒后，对消费者缓冲区进行数据处理
                _call_back(_con_buf);
                // 4.初始化消费者缓冲区
                _con_buf.reset();
            }
        }
    private:
        Functor _call_back;
    private:
        AsyncType _looper_type;
        std::atomic<bool> _stop;
        Buffer _pro_buf;
        Buffer _con_buf;
        std::mutex _mutex;
        std::condition_variable _pro_cond;
        std::condition_variable _con_cond;
        std::thread _thread; // 异步工作器对应的工作线程
    };
}
#endif

异步日志器设计

异步日志器继承自日志器类，并在同步日志器类上拓展了异步工作器。当我们需要异步输出日志的时候，需要创建异步日志器和消息处理器，调用异步日志器的log、debug、error、info、fatal等函数输出不同级别日志。

log函数为重写Logger类的函数，主要实现将日志日志数据加入异步缓冲区；
realLog函数主要由异步线程调用（是为异步工作器设置的回调函数），完成日志的实际落地操作。

class AsyncLogger : public Logger
{
public:
    AsyncLogger(const std::string &logger_name,
                LogLevel::value level,
                LOG::Formatter::ptr &formatter,
                std::vector<LogSink::ptr> &sinks,
                AsyncType looper_type)
        : Logger(logger_name, level, formatter, sinks),
          _looper(std::make_shared<AsyncLooper>(std::bind(&AsyncLogger::realLog, this, std::placeholders::_1), looper_type))
    {}
    // 将数据写入缓冲区 
    void log(const char *data, size_t len)
    {
        _looper->push(data, len);
    }
    // 设计一个实际落地函数
    void realLog(Buffer &buf)
    {
        if (_sinks.empty())
            return;
        for (auto &sink : _sinks)
        {
            sink->log(buf.begin(), buf.readAbleSize());
        }
    }

private:
    AsyncLooper::ptr _looper; // 异步工作器
};