C++11实战——多线程的日志类

C++标准库的std::cout和std::ofstream重载了operator<<，单线程使用非常简单。但由于其并非线程安全，在多线程中使用则需要自己加锁同步，很是繁琐。
形如“int printf ( const char * format, ... );”的 传统C函数，虽然线程安全但使用上比 operator<< 麻烦的多。
本文将利用一些 C++11新特性 实现一个线程安全的日志类（兼顾写文件日志和打印控制台日志），并力求代码压缩在200行之内。

源码下载：
github: github.com/FutaAlice/cpp11logger
csdn: download.csdn.net/download/u014755412/10252806

接口设计

外部接口需要尽可能简单，我们先制定一个理想接口，然后完成其内部实现：

using namespace logger;
int main()
{
	// 控制台日志
	ConsoleLogger debug;
	// 控制台输出，默认的安全等级(Debug)
	// output: [2017-02-29 00:00:00][Debug] Main thread, Message 0
	debug() << "Main thread, Message " << 0;
	// 控制台输出，安全等级为 Warning
	// output: [2017-02-29 00:00:00][Warning] Main thread, Message 1
	debug(Level::Warning) << "Main thread, Message " << 1;
	
	// 文件日志输出位置
	FileLogger fl("message.log");
	// 写文件日志，安全等级为 Info
	// output: [2017-02-29 00:00:00][Info] Main thread, Message 2
	fl(Level::Info) << "Main thread, Message num: " << 2;
}

几个重点问题的解决方式

1） 在哪里加锁？

如果使用形如 debug(const char *fmt, ...) 的不定参数，我们可以将锁放在函数首尾，保证其线程安全：

void debug(const char *fmt, ...)
{
	static std::mutex m;
	m.lock();
	// do something.
	m.unlock();
}

设计接口考虑到调用的方便，采用了 operator<< 的方式，而非形如 (const char *fmt, ...) 的不定参数。
也就是说，调用中每出现一次 << ，operator<< 就会被调用一次。

ConsoleLogger debug;
debug() << "Main thread " << 0; // operator<< 共调用2次

而对于一行中出现多次 <<符号 的调用而言，如果在 operator<< 重载函数的首尾加锁，两次 operator<< 之间依然会混入其他线程的日志信息。

ConsoleLogger debug;
future<void> f(async([]{ debug() << "_fuck_"; }));
f.get();
debug() << "Main thread " << 0;
// 可能输出结果 1：Main thread 0_fuck_
// 可能输出结果 2：Main thread _fuck_0
// 可能输出结果 3：_fuck_Main thread 0

那么保证线程安全锁放在那里？（这里比较绕，看代码比较清楚）

我们先重载日志类（ConsoleLogger）的 operator() ，使其返回一个文本缓冲区临时对象。
即，debug() 返回一个缓冲区，它是临时的，没有左值或右值引用接收它，在行末分号处被销毁。
缓冲区重载 operator<< 接收文本信息并暂时保存，在其析构函数中："日志类对象加锁、写日志、解锁" 顺序进行。

以此在保证调用接口简单的同时实现线程安全。

2） 文本缓冲区有现成的轮子么？

C++标准库的 ostringstream 是一个理想的缓冲区，它完整实现了 operator<< 。
我们只需要派生一个类，为其重写析构函数即可。

3） 获取日期时间有什么简单的方法？

C++11新增的 chrono 库，配合 localtime_r 函数（windows下为 localtime_s， 只有参数顺序不同）

int localtime_r ( time_t  *t，struct tm *tm ) // linux
int localtime_s ( struct tm *tm, time_t  *t ) // windows

注意通用的 struct tm *localtime(const time_t *clock) 函数不是线程安全的。

4) 如何防止用于指定日志等级的枚举（enum Level）污染命名空间？

C/C++ 中具名（有名字）的 enum 类型的名字，以及 enum 的成员的名字都是全局可见的。
如果在相同的代码域中的两个枚举类型具有相同名字的枚举成员，这会导致命名冲突。
针对这些缺点，C++11引入了一种新的枚举类型，即“枚举类”，又称“强类型枚举”（strong-typed enum）。

namespace testenum
{
// 传统的枚举
enum Fuck { f1, f2, f3 };

// C++11 强类型枚举
enum class Shit { s1, s2, s3 };
}

int main()
{
	using namespace testenum;
	auto a = f1; // 通过，命名空间被 "enum Fuck" 成员污染
	auto b = s1; // 编译报错，未定义标识符 s1，"enum class Shit" 不会污染命名空间
	auto c = Shit::s1; // 通过

	int A = a; // 通过
	int C = c; // 编译报错，不允许隐式转换为整型
}

如上代码所示，强类型枚举不会污染 namespace 并且 不会隐式转换为整形。

日志类及测试工程实现代码

目录结构

-- logger
-- -- logger.h
-- -- logger.cpp
-- -- logger_test.cpp

源代码

logger.h

// logger.h
#pragma once
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <mutex>

struct tm;

namespace logger
{
// 强类型枚举，指定日志等级
enum class Level { Debug, Info, Warning, Error, Fatal };
class FileLogger; // 写文档用的日志类
class ConsoleLogger; // 控制台输出用的日志类
class BaseLogger; // 纯虚基类

class BaseLogger
{
    class LogStream; // 用于文本缓冲的内部类声明
public:
    BaseLogger() = default;
    virtual ~BaseLogger() = default;
    // 重载 operator() 返回缓冲区对象
    virtual LogStream operator()(Level nLevel = Level::Debug);
private:
    const tm* getLocalTime();
    // 供缓冲区对象析构时调用（函数加锁保证线程安全）
    void endline(Level nLevel, std::string&& oMessage);
    // 纯虚函数，预留接口，由派生类实现
    virtual void output(const tm *p_tm,
                        const char *str_level,
                        const char *str_message) = 0;
private:
    std::mutex _lock;
    tm _localTime;
};

// 用于文本缓冲区的类，继承 std::ostringstream
class BaseLogger::LogStream : public std::ostringstream
{
    BaseLogger& m_oLogger;
    Level        m_nLevel;
public:
    LogStream(BaseLogger& oLogger, Level nLevel)
        : m_oLogger(oLogger), m_nLevel(nLevel) {};
    LogStream(const LogStream& ls)
        : m_oLogger(ls.m_oLogger), m_nLevel(ls.m_nLevel) {};
    ~LogStream() // 为其重写析构函数，在析构时打日志
    {
        m_oLogger.endline(m_nLevel, std::move(str()));
    }
};

// 控制台输出用的日志类
class ConsoleLogger : public BaseLogger
{
    using BaseLogger::BaseLogger;
    virtual void output(const tm *p_tm,
                        const char *str_level,
                        const char *str_message);
};

// 写文档用的日志类
class FileLogger : public BaseLogger
{
public:
    FileLogger(std::string filename) noexcept;
    FileLogger(const FileLogger&) = delete;
    FileLogger(FileLogger&&) = delete;
    virtual ~FileLogger();
private:
    virtual void output(const tm *p_tm,
                        const char *str_level,
                        const char *str_message);
private:
    std::ofstream _file;
};

extern ConsoleLogger debug;
extern FileLogger record;

} // namespace logger

logger.cpp

// logger.cpp
#include <cassert>
#include <chrono>
#include <ctime>
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <map>
#include <regex>
#include "logger.h"

using namespace std;
using namespace logger;

ConsoleLogger logger::debug;
FileLogger logger::record("build_at_" __DATE__ "_" __TIME__ ".log");

#ifdef WIN32
#define localtime_r(_Time, _Tm) localtime_s(_Tm, _Time)
#endif

static const map<Level, const char *> LevelStr =
{
    { Level::Debug, "Debug" },
    { Level::Info, "Info" },
    { Level::Warning, "Warning" },
    { Level::Error, "Error" },
    { Level::Fatal, "Fatal" },
};

ostream& operator<< (ostream& stream, const tm* tm)
{
    return stream << 1900 + tm->tm_year << '-'
        << setfill('0') << setw(2) << tm->tm_mon + 1 << '-'
        << setfill('0') << setw(2) << tm->tm_mday << ' '
        << setfill('0') << setw(2) << tm->tm_hour << ':'
        << setfill('0') << setw(2) << tm->tm_min << ':'
        << setfill('0') << setw(2) << tm->tm_sec;
}

BaseLogger::LogStream BaseLogger::operator()(Level nLevel)
{
    return LogStream(*this, nLevel);
}

const tm* BaseLogger::getLocalTime()
{
    auto now = chrono::system_clock::now();
    auto in_time_t = chrono::system_clock::to_time_t(now);
    localtime_r(&in_time_t, &_localTime);
    return &_localTime;
}

void BaseLogger::endline(Level nLevel, string&& oMessage)
{
    _lock.lock();
    output(getLocalTime(), LevelStr.find(nLevel)->second, oMessage.c_str());
    _lock.unlock();
}

void ConsoleLogger::output(const tm *p_tm,
                           const char *str_level,
                           const char *str_message)
{
    cout << '[' << p_tm << ']'
        << '[' << str_level << "]"
        << "\t" << str_message << endl;
    cout.flush();
}

FileLogger::FileLogger(string filename) noexcept
    : BaseLogger()
{
    string valid_filename(filename.size(), '\0');
    regex express("/|:| |>|<|\"|\\*|\\?|\\|");
    regex_replace(valid_filename.begin(),
                  filename.begin(),
                  filename.end(),
                  express,
                  "_");
    _file.open(valid_filename,
               fstream::out | fstream::app | fstream::ate);
    assert(!_file.fail());
}

FileLogger::~FileLogger()
{
    _file.flush();
    _file.close();
}

void FileLogger::output(const tm *p_tm,
                        const char *str_level,
                        const char *str_message)
{
    _file << '[' << p_tm << ']'
        << '[' << str_level << "]"
        << "\t" << str_message << endl;
    _file.flush();
}

logger_test.cpp

// logger_test.cpp
#include <thread>
#include <list>
#include "logger.h"

using namespace std;
using namespace logger;

int main()
{
    list<shared_ptr<thread>> oThreads;

    ConsoleLogger ocl;
    ocl << "test" << "log";
    FileLogger ofl("shit.log");
    ofl << "test" << "log";
    
    /*
     * 控制台输出
     */
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        oThreads.push_back(shared_ptr<thread>(new thread([=]() {
            for (int j = 0; j < 100; ++j)
                debug() << "Thread " << i << ", Message " << j;
        })));
    }
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        debug() << "Main thread, Message " << i;
    for (auto oThread : oThreads)
        oThread->join();

    debug(Level::Info) << "output to console, done.";
    debug(Level::Info) << "press any to continue this test.";
    getchar();
    oThreads.clear();
    /*
     * 日志文档输出
     */
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        oThreads.push_back(shared_ptr<thread>(new thread([=]() {
            for (int j = 0; j < 100; ++j)
                record() << "Thread " << i << ", Message " << j;
        })));
    }
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        record() << "Main thread, Message " << i;
    for (auto oThread : oThreads)
        oThread->join();

    debug(Level::Info) << "done.";
    getchar();
    return 0;
}

源码下载

github: github.com/FutaAlice/cpp11logger
csdn: download.csdn.net/download/u014755412/10252806