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
异步缓冲区类整理
异步工作器类整理

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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在这里插入图片描述
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
};

异步缓冲区类整理

#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

异步工作器类整理

#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(){// 为互斥锁设置一个生命周期，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; // 选择异步工作器工作模式（安全与非安全模式）std::atomic<bool> _stop; // 工作器退出标志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