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1 日志

日志（Log）是记录软件运行过程中发生的事件、状态变化和错误信息的记录文件。在软件开发和系统运维中，日志起着至关重要的作用。

1.1 什么是日志

定义：日志是一种按时间顺序排列的记录，用于记录软件在运行过程中产生的各种信息，包括操作行为、系统状态、错误警告等。就像日记一样，程序每进行一个任务操作都要留下信息，方便他人查看。

日志通常包含以下几种信息：

• 时间戳：记录事件发生的时间。
• 日志级别：表示日志信息的严重程度，如DEBUG、INFO、WARNING、ERROR、FATAL。
• 来源：指出产生日志的文件行数（可以快速找到对应模块）。
• 消息内容：具体描述事件或错误信息。

目前，在实际开发中我们有非常丰富的日志库可以选择：

1. spdlog是一个非常快速、支持并发的C++日志库，它提供了易于使用的接口和丰富的特性，包括异步日志记录、多线程支持、格式化输出等。官方网站在这里
2. Glog是由Google开发的C++日志库，它提供了基于C++风格的日志API，支持条件日志记录、日志旋转和严重错误时的信号处理。官方网站在这里

1.2 日志的意义

日志在开发中主要有以下一些作用：

1. 追踪问题：通过日志，开发者可以了解软件在运行过程中的状态，快速定位问题所在。
2. 分析原因：日志记录了软件运行过程中的详细信息，有助于分析问题产生的原因。
3. 优化性能：通过分析日志，可以发现软件的性能瓶颈，从而进行优化。
4. 安全审计：日志记录了软件的操作行为，有助于审计和监控系统的安全性。
5. 数据挖掘：在某些场景下，日志数据可以用于数据挖掘，为业务分析和决策提供支持。

同样日志在项目开发中至关重要，从开发调试阶段 - 测试阶段 - 部署阶段 - 运行维护阶段…都具有相当重要的作用！并且一个优雅的日志系统是可以让开发者赏心悦目的进行项目开发，优雅！

总之，日志在项目开发中具有举足轻重的作用。一个完善的日志系统可以提高软件的可靠性、稳定性和可维护性，为软件开发和运维提供有力支持。

1.3 为什么要构建自己的日志工具

从学习的角度出发，开发一个自己的简易日志工具可以带来以下好处：

1. 深入理解日志原理：
   通过自己实现日志工具，可以更深入地理解日志记录的基本原理，包括日志的格式化、写入、级别控制等。对以后使用第三方日志库有很大帮助
2. 掌握核心编程技能：
   在开发过程中，可以锻炼和提升核心编程技能，如文件操作、字符串处理、时间管理、异常处理等。这是一笔很重要的经验！
3. 模块化和抽象思维：
   日志工具的开发需要良好的模块化和抽象思维能力，这有助于在未来的项目中更好地组织代码。
4. 错误处理和调试：
   在开发过程中，不可避免地会遇到错误和调试问题，这提供了实践错误处理和调试技巧的机会。
5. 理解日志在系统中的作用：
   通过实现日志工具，可以更深刻地理解日志在系统监控、问题排查、性能分析等方面的重要性。
6. 增强项目经验：
   开发日志工具可以作为一个独立的项目经验，有助于在简历上展示实际编程能力和解决问题的能力。

总之，开发一个自己的简易日志工具是一个综合性的学习过程，下面我们来开发一个自己的日志工具！

2 构建自己的日志工具

2.1 框架搭建

设计一个日志系统首先要明确我们希望打印出什么格式的日志信息：

我们想要呈现出上面这样的日志信息，就需要设置一个信息类logmessage来储存信息，类内需要这些信息:

• int _level : 日志等级，通过枚举变量来快速通过数字对应等级
• pid_t _id : 进程ID
• std::string _filename : 文件名
• int _filenumber : 行号
• std::string _curr_time : 当前时间
• std::string _message_info : 日志信息

然后我们在设计一个初步的日志类Log，我们希望的是通过：

Log lg;
lg.LogMessage(__FILE__ , __LINE__ , DEBUG , "%d %s %f" , 1 , "你好" , 3.14);

这样的上层调用来实现日志信息的打印，所以Log内部不需要设置信息类logmessage。只需要在LogMessage函数中设置一个临时变量，保证每次调用都会通过这个临时来储存信息。为了可以区分是向显示器打印还是向文件打印，我们添加一个成员变量_type来方便后期确认打印方式！

#pragma once

#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <aio.h>
#include <stdarg.h>
#include <fstream>
#include <cstring>

//打印方式
#define SCREEN_TYPE 1
#define FILE_TYPE 2

const std::string file = "log.txt";

// 等级划分
enum
{
    DEBUG = 1,
    INFO,
    WARNING,
    ERROR,
    FATAL,
};

// 信息类
class logmessage
{

public:
    std::string _level;        // 日志信息等级
    int _id;                   // 进程ID
    std::string _curr_time;    // 当前时间
    std::string _filename;     // 文件名
    int _filenumber;           // 行号
    std::string _message_info; // 日志信息
};

// 日志类
class Log
{
private:
    std::string LevelToString(int level)
    {
        switch (level)
        {
        case 1:
            return "DEBUG";
        case 2:
            return "INFO";
        case 3:
            return "WARNING";
        case 4:
            return "ERROR";
        case 5:
            return "FATAL";
        default:
            return "UNKNOW";
        }
    }

public:
    // 空的构造函数
    Log() : _type(SCREEN_TYPE)
    {
    }

    // 处理数据
    void LogMessage(std::string filename, int filenumber, int level, const char *format, ...)
    {      
    }
    ~Log()
    {
    }

private:
    int _type;
};

接下来我们来处理最重要的LogMessage函数。

2.2 LogMessage函数

在LogMessage函数中我们需要依次处理传入的信息，并储存在logmessage类中。函数一定要支持可变参数，才能更好的支持外部调用的功能性！

 logMessage(std::string filename , int level , int filenumber , const char* format , ...) 

接下来我们进行信息类的处理，依次处理 日志等级、进程ID、文件名、行号、当前时间、日志信息：

1. _level ：通过公共方法LevelToString()将 等级 转换为 字符串：简单的通过switch语句实现

    std::string LevelToString(int level)
   {
       switch (level)
       {
       case 1:
           return "DEBUG";
       case 2:
           return "INFO";
       case 3:
           return "WARNING";
       case 4:
           return "ERROR";
       case 5:
           return "FATAL";
       default:
           return "UNKNOW";
       }
   }
   

2. 获取 pid + 文件名 + 行号：这个很简单！

   // 处理文件名 行号
       lm._filename = filename;
       lm._filenumber = filenumber;
       // 获取进程ID
       lm._id = getpid();
   

3. _curr_time: 获取时间 time() ，再通过localtime()得到当前时间的结构体，然后通过方法 TimeToString() 转换为字符串就可以了，需要注意的是，获取的时间结构体内的时间和原本时间有出入，需要进行一些处理：

   std::string TimeToString()
   {
       time_t now = time(nullptr);
       struct tm *t = localtime(&now);
       
       int year = t->tm_year;
       int mon = t->tm_mon;
       int day = t->tm_mday;
       int hour = t->tm_hour;
       int min = t->tm_min;
       int sec = t->tm_sec;
   
       char buffer[1024];
       snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",
                year + 1900,
                mon + 1,
                day,
                hour,
                min,
                sec);
   
       return buffer;
   }
   

4. _message_info：日志信息是一段带有可变参数的字符串，使用vsnprintf可以简单解决。首先进行va_list 的初始化，然后 vsnprintf() 可以直接将可变参数中进行提取 ，（va_start标定开始位置 ， va_end结束）

   // 日志信息
       char buffer[1024];
       va_list ap;
       va_start(ap, format);
       vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, ap);
       va_end(ap);
       lm._message_info = buffer;
   

这样最重要的数据转换我们就完成了，接下来就是打印的问题了，我们设计一个FlushLog刷新日志信息的函数，在里面进行打印的处理,根据打印格式打印对应信息：

// 刷新数据
    void FlushLog(const logmessage &lg)
    {
        switch (_type)
        {
        case 1:
            FlushToScreen(lg);
            break;
        case 2:
            FlushToFile(lg);
            break;
        }
    }

打印方式有两种：

1. 向显示器打印：这个很好写,直接使用printf打印特定格式就好
2. 向文件打印：使用文件流操作fstream快速进行写入处理（非常好用！）

 void FlushToScreen(const logmessage &lg)
    {
        printf("[%s][%d][%s][%d][%s] %s \n",
               lg._level.c_str(),
               lg._id,
               lg._filename.c_str(),
               lg._filenumber,
               lg._curr_time.c_str(),
               lg._message_info.c_str());
    }
    void FlushToFile(const logmessage &lg)
    {
        std::fstream out(_logfile.c_str(), std::ios_base::out | std::ios_base::app );
        char buffer[1024];
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "[%s][%d][%s][%d][%s] %s \n",
               lg._level.c_str(),
               lg._id,
               lg._filename.c_str(),
               lg._filenumber,
               lg._curr_time.c_str(),
               lg._message_info.c_str());
        out.write(buffer, strlen(buffer));
        out.close();
    }

现在我们 运行测试一下：

可以看到我们的日志工具已经可以规范的打印消息了！非常优雅！

2.3 线程安全优化

单线程的情况，我们的日志工具肯定是没有问题的！如果是多线程呢？我们来看看我们有哪些是全局的变量需要互斥锁保护：只有显示器打印和文件打印是对全局的资源进行操作，所以我们只需要对FlushLog中进行线程保护即可！

//全局锁
pthread_mutex_t _mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

为了更加优雅的进行操作，我们使用之前编写的RAII规则的锁守卫LockGuard进行保护：

// 刷新数据
    void FlushLog(const logmessage &lg)
    {
        LockGuard lock(&_mtx);
        switch (_type)
        {
        case 1:
            FlushToScreen(lg);
            break;
        case 2:
            FlushToFile(lg);
            break;
        }
    }

这样我们的日志类就可以保证多线程下的安全运行了！

2.4 宏定义优化

上面的代码已经可以满足日志的书写的工作了，但是如果还想要更加的优雅的操作，我们可以使用宏定义来免去书写文件名和行号的操作，并且不在需要手动创建类，可以直接调用宏定义来进行日志的书写！

Log lg;

#define Log(Level, Format, ...)                                \
    do                                                         \
    {                                                          \
        lg.LogMessage(__FILE__, __LINE__, Level , Format, ##__VA_ARGS__); \
    } while (0)
    
#define EnableScreen()          \
    do                          \
    {                           \
        lg.Enable(SCREEN_TYPE); \
    } while (0)
    
#define EnableFile()          \
    do                        \
    {                         \
        lg.Enable(FILE_TYPE); \
    } while (0)

宏定义会在调用位置直接进行打开，所以__FILE__, __LINE__,就直接可以传入文件和行数了，不在需要我们书写：

int main()
{
    int cnt = 5;
    while (cnt--)
    {
        Log(DEBUG, "%d %s %f", cnt, "你好", 3.1415);
        sleep(1);
    }
    
    EnableFile();
    
    cnt = 5;
    while (cnt--)
    {
        Log(DEBUG, "%d %s %f", cnt, "你好", 3.1415);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

这样是在是优雅：

这样我们就完成了日志工具项目的构建！！！

3 总结

项目技术栈：

编程语言：C++
操作系统相关：POSIX线程（pthread）、文件操作、时间处理
编程技巧：面向对象编程、设计模式（单例模式、工厂模式）、RAII（资源获取即初始化）

编程技巧与学习点：

1. 日志原理与设计 ：文章深入探讨了日志的定义、组成和重要性，以及如何设计一个日志系统。
2. 核心编程技能：通过实现日志工具，锻炼了文件流操作、字符串处理、时间管理等技能。
3. 错误处理与调试：在开发过程中，实践了错误处理和调试技巧，特别是在多线程环境下的线程安全问题。
4. 线程安全 ：通过引入互斥锁（mutex）和锁守卫（LockGuard），确保了日志工具在多线程环境下的安全使用。
5. 宏定义优化 ：使用宏定义简化了日志记录的代码，提高了代码的简洁性和易用性。

我们通过构建一个简易的日志工具，展示了从需求分析、系统设计到具体实现的完整过程。介绍了如何使用C++构建一个具有基本功能的日志系统，包括日志消息的格式化、文件和屏幕输出、日志级别的控制等。实践了日志工具的线程安全优化，确保了其在多线程环境下的稳定性。

通过这个项目，可以学习到如何从零开始构建一个日志系统，掌握相关的编程技能和设计理念，同时也能够加深对日志在软件开发中作用的理解。