【Linux】日志模块实现详解

JhonKI2025-04-06 8:06

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📢本文由 JohnKi 原创，首发于 CSDN🙉

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文章目录

📢前言

日志系统是软件开发中不可或缺的组成部分，它记录了程序的运行状态、错误信息和调试细节。本文将结合一段C++实现的日志模块代码，深入讲解日志系统的核心设计思想、技术实现细节及实际应用场景。通过阅读本文，笔者者将带你掌握如何构建一个灵活、高效且可扩展的日志模块。

🏳️‍🌈一、为什么要设计日志系统

什么是设计模式

IT行业这么火,涌入的人很多,俗话说林子大了啥鸟都有,大佬和菜鸡们两极分化的越来越严重,为了让菜鸡们不太拖大佬的后腿,于是大佬们针对一些经典的常见的场景,给定了一些对应的解决方案,这个就是 设计模式

日志认识

计算机中的日志是记录系统和软件运行中发生事件的文件，主要作用是监控运行状态、记录异常信息，帮助快速定位问题并支持程序员进行问题修复。它是系统维护、故障排查和安全管理的重要工具。

日志格式以下几个指标是必须得有的

  • 时间戳
  • 日志等级
  • 日志内容

以下几个指标是可选的

  • 文件名行号
  • 进程，线程相关id信息等

日志有现成的解决方案，如:spdlog、glog、Boost.Log、Log4cxx等等，我们依旧采用自定义日志的方式。

这里我们采用设计模式-策略模式来进行日志的设计，具体策略模式介绍，详情看代码和课程。
我们想要的日志格式如下:

bash 复制代码 
[可读性很好的时间] [⽇志等级] [进程pid] [打印对应⽇志的⽂件名][⾏号] - 消息内容，⽀持可
变参数
[2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [16] - hello world
[2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [17] - hello world
[2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [18] - hello world
[2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [20] - hello world
[2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [21] - hello world
[2024-08-04 12:27:03] [WARNING] [202938] [main.cc] [23] - hello world

🏳️‍🌈二、日志系统逻辑框架

日志模块的核心功能

  • 时间戳生成：每条日志必须包含精确的时间信息。
  • 日志等级管理：区分不同重要性的日志（如DEBUG、ERROR）。
  • 日志输出策略：支持控制台输出、文件持久化等多种方式。
  • 线程安全：多线程环境下保证日志写入的原子性。
  • 易用性 ：通过宏定义简化调用。
bash 复制代码 
+------------------+
|     Logger        |  --> 管理策略、构建日志消息
+------------------+
       |
       | 使用策略模式
       v
+------------------+
|  LogStrategy      |  --> 抽象接口（控制台/文件输出）
+------------------+
       |       |
       |       +--------> ConsoleLogStrategy
       |       +--------> FileLogStrategy
       v
+------------------+
|  LogMessage       |  --> 封装单条日志的完整信息
+------------------+

🏳️‍🌈三、关键技术实现解析

3.1 时间戳生成

下图是 struct_tm 结构的示意，他能帮助我们获取当前时间

关键点 ：使用localtime_r替代localtime保证线程安全。
​输出格式：YYYY-MM-DD HH:MM:SS，便于人类阅读和机器解析

bash 复制代码 
// 获取一下当前系统的时间
std::string CurrentTime() {
    time_t time_stamp = ::time(nullptr);
    struct tm curr;
    localtime_r(&time_stamp, &curr);

    char buffer[1024];

    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",
             curr.tm_year + 1900, curr.tm_mon + 1, curr.tm_mday, curr.tm_hour,
             curr.tm_min, curr.tm_sec);

    return static_cast<std::string>(buffer);
}

3.2 日志等级管理

通过枚举类强制类型安全，避免无效等级

bash 复制代码 
    // 日志等级
    enum LogLevel{
        DEBUG = 1,
        INFO,
        WARNING,
        ERROR,
        FATAL
    };

    std::string Level2string(LogLevel level){
        switch(level){
            case LogLevel::DEBUG: return "DEBUG";
            case LogLevel::INFO: return "INFO";
            case LogLevel::WARNING: return "WARNING";
            case LogLevel::ERROR: return "ERROR";
            case LogLevel::FATAL: return "FATAL";
            default: return "None";
        }
    }

Level2string 中的 2 音译 to

🏳️‍🌈四、日志输出策略

日志输出策略课分为

  • 控制台级
  • 文件级

因此我们可以建立一个总的策略来统一管理

4.1 LogStrategy

bash 复制代码 
// 日志输出策略
class LogStrategy {
public:
    virtual ~LogStrategy() = 0;
    virtual void SyncLog(const std::string& msg) = 0;
};

4.2 ConsoleLogStrategy

控制台级的日志，我们只需要输出就行了，注意线程安全

bash 复制代码 
// 日志控制台输出策略
class ConsoleLogStrategy : public LogStrategy {
public:
    ConsoleLogStrategy() {}
    ~ConsoleLogStrategy() {}
    void SyncLog(const std::string& message) {
        LockGuard lockguard(_lock);
        std::cout << message << std::endl;
    }

private:
    Mutex _lock;
};

4.3FileLogStrategy

文件级的就相对有些复杂了

  • 首先，我们需要确定这个日志将要追加的位置，可以提前默认
  • 其实，我们要对文件的创建、打开、关闭负责好，及时在错误的情况输出
  • 最后，我们要做好往文件追加的功能实现
bash 复制代码 
// 默认日志文件地址和名字
const std::string defaultlogpath = "./log/";
const std::string defaultlogname = "log.txt";
// 日志文件输出策略
class FileLogStrategy : public LogStrategy {
public:
    FileLogStrategy(const std::string& path = defaultlogpath,
                    const std::string& name = defaultlogname)
        : _logpath(path), _logname(name) {
        LockGuard lockGuard(_mutex);

        if (std::filesystem::exists(_logpath))
            return;

        try {
            std::filesystem::create_directories(_logpath);
        }

        catch (std::filesystem::filesystem_error& e) {
            std::cerr << e.what() << "\n";
        }
    }

    ~FileLogStrategy() {}

    void SyncLog(const std::string& message) {
        LockGuard lockguard(_mutex);
        std::string log = _logpath + _logname;

        std::ofstream out(log, std::ios::app);
        if (!out.is_open())
            return;

        out << message << std::endl;
        out.close();
    }

private:
    Mutex _mutex;
    std::string _logpath;
    std::string _logname;
};

🏳️‍🌈五、日志类

5.1 日志消息构建

  • RAII技术：利用析构函数自动提交日志，避免手动提交遗漏。
  • ​流式接口：通过重载operator<<实现链式调用。

日志消息规格

2024-08-04 12:27:03\] \[DEBUG\] \[202938\] \[main.cc\] \[16\] + 日志的可变部分(\<\< "hello world" \<\< 3.14 \<\< a \<\< b;)

因此我们需要包含以下的成员变量

bash 复制代码 
std::string _currtime; // 当前日志的时间
LogLevel _level;       // 日志等级
pid_t _pid;            // 进程ID
std::string _filename; // 文件名
int _line;             // 行号
Logger & _logger;      // 日志类
std::string _log_msg;  // 一条完整的日志内容

然后我们可以利用模板实现 可变部分 的添加

bash 复制代码 
LoggerMessage(LogLevel level, const std::string& filename, int line,
              Logger& logger)
    : _level(level), _pid(::getpid()), _filename(filename), _line(line),
      _logger(logger) {
    std::stringstream ssbuffer;
    ssbuffer << "[" << CurrentTime() << "]"
             << "[" << Level2string(level) << "]"
             << "[" << _pid << "]"
             << "[" << _filename << "]"
             << "[" << _line << "] - ";
    _log_msg = ssbuffer.str();
}

template <typename T> LoggerMessage& operator<<(const T& info) {
    std::stringstream ss;
    ss << info;
    _log_msg += ss.str();
    return *this;
}

~LoggerMessage() {
    if (_logger._logstrategy) {
        _logger._logstrategy->SyncLog(_log_msg);
    }
}

5.2 日志类封装

我们在这里确认日志的策略模式，然后利用 日志消息类 组织日志，并输出

bash 复制代码 
Logger() {
    // 默认采用 控制台级 日志打印
    _logstrategy = std::make_shared<ConsoleLogStrategy>();
}
~Logger() {}

void EnableConsoleLog() {
    _logstrategy = std::make_shared<ConsoleLogStrategy>();
}

void EnableFileLog() { _logstrategy = std::make_shared<FileLogStrategy>(); }

// 就是要拷贝,故意的拷贝
LoggerMessage operator()(LogLevel level, const std::string& filename,
                         int line) {
    return LoggerMessage(level, filename, line, *this);
}

private:
std::shared_ptr<LogStrategy> _logstrategy;

5.3 用户接口

为了方便我们使用，我们可以进行如下操作

bash 复制代码 
Logger logger;
#define LOG(Level) logger(Level, __FILE__, __LINE__)
#define ENABLE_CONSOLE_LOG() log.EnableConsoleLog()
#define ENABLE_FILE_LOG() log.EnableFileLog()

🏳️‍🌈六、整体代码

bash 复制代码 
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <memory>

#include <filesystem>
#include <fstream>

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


#include "Mutex.hpp"

namespace LogModule{
    using namespace LockModule;

    // 获取一下当前系统的时间
    std::string CurrentTime(){
        time_t time_stamp = ::time(nullptr);
        struct tm curr;
        localtime_r(&time_stamp, &curr);

        char buffer[1024];

        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%4d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d",
            curr.tm_year + 1900,
            curr.tm_mon + 1,
            curr.tm_mday,
            curr.tm_hour,
            curr.tm_min,
            curr.tm_sec);

        return static_cast<std::string>(buffer);
    }

    // 日志等级
    enum LogLevel{
        DEBUG = 1,
        INFO,
        WARNING,
        ERROR,
        FATAL
    };

    std::string Level2string(LogLevel level){
        switch(level){
            case LogLevel::DEBUG: return "DEBUG";
            case LogLevel::INFO: return "INFO";
            case LogLevel::WARNING: return "WARNING";
            case LogLevel::ERROR: return "ERROR";
            case LogLevel::FATAL: return "FATAL";
            default: return "None";
        }
    }



    // 日志输出策略
    class LogStrategy{
        public:
            virtual ~LogStrategy() = 0;
            virtual void SyncLog(const std::string& msg) = 0;
    };

    // 日志控制台输出策略
    class ConsoleLogStrategy : public LogStrategy{
        public:
            ConsoleLogStrategy(){}
            ~ConsoleLogStrategy(){}
            void SyncLog(const std::string &message){
                LockGuard lockguard(_lock);
                std::cout << message << std::endl;
            }

        private:
            Mutex _lock;
    };

    // 默认日志文件地址和名字
    const std::string defaultlogpath = "./log/";
    const std::string defaultlogname = "log.txt";
    // 日志文件输出策略
    class FileLogStrategy : public LogStrategy{
        public:
            FileLogStrategy(const std::string& path = defaultlogpath, const std::string& name = defaultlogname)
                : _logpath(path), _logname(name)
            {
                LockGuard lockGuard(_mutex);        

                if(std::filesystem::exists(_logpath)) return;

                try{
                    std::filesystem::create_directories(_logpath);
                }

                catch(std::filesystem::filesystem_error& e){
                    std::cerr << e.what() << "\n";
                }
            }

            ~FileLogStrategy(){}

            void SyncLog(const std::string& message){
                LockGuard lockguard(_mutex);
                std::string log = _logpath + _logname;

                std::ofstream out(log, std::ios::app);
                if(!out.is_open()) return;

                out << message << std::endl;
                out.close();
            }

        private:
            Mutex _mutex;
            std::string _logpath;
            std::string _logname;
    };

    // 日志类
    class Logger{
        public:
            Logger(){
                // 默认采用 控制台级 日志打印
                _logstrategy = std::make_shared<ConsoleLogStrategy>();
            }
            ~Logger(){}

            void EnableConsoleLog(){
                _logstrategy = std::make_shared<ConsoleLogStrategy>();
            }

            void EnableFileLog(){
                _logstrategy = std::make_shared<FileLogStrategy>();
            }

            // 日志消息类
            // 一条完整的信息: [2024-08-04 12:27:03] [DEBUG] [202938] [main.cc] [16] + 日志的可变部分(<< "hello world" << 3.14 << a << b;)
            class LoggerMessage{
                public:
                    LoggerMessage(LogLevel level, const std::string& filename, int line, Logger& logger)
                        : _level(level), _pid(::getpid()), _filename(filename), _line(line), _logger(logger)
                    {
                        std::stringstream ssbuffer;
                        ssbuffer << "[" << CurrentTime() << "]" 
                                 << "[" << Level2string(level) << "]"
                                 << "[" << _pid << "]"
                                 << "[" << _filename << "]"
                                 << "[" << _line << "] - ";
                        _log_msg = ssbuffer.str();
                    }

                    template<typename T>
                    LoggerMessage& operator<<(const T& info){
                        std::stringstream ss;
                        ss << info;
                        _log_msg += ss.str();
                        return *this;
                    }

                    ~LoggerMessage(){
                        if(_logger._logstrategy){
                            _logger._logstrategy->SyncLog(_log_msg);
                        }
                    }

                private:
                    std::string _currtime;  // 当前日志的时间
                    LogLevel _level;        // 日志等级
                    pid_t _pid;             // 进程ID
                    std::string _filename;  // 文件名
                    int _line;              // 行号
                    Logger& _logger;        // 日志类
                    std::string _log_msg;   // 一条完整的日志内容
            };

            // 就是要拷贝,故意的拷贝
            LoggerMessage operator()(LogLevel level, const std::string &filename, int line)
            {
                return LoggerMessage(level, filename, line, *this);
            }

        private:
            std::shared_ptr<LogStrategy> _logstrategy;
    };

    Logger logger;
#define LOG(Level) logger(Level, __FILE__, __LINE__)
#define ENABLE_CONSOLE_LOG() log.EnableConsoleLog()
#define ENABLE_FILE_LOG() log.EnableFileLog()
}

👥总结

本篇博文对 【Linux】日志模块实现详解 做了一个较为详细的介绍，不知道对你有没有帮助呢

觉得博主写得还不错的三连支持下吧！会继续努力的~

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