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別人的經(jīng)驗(yàn)，我們的階梯!

大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說(shuō)的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)是：【在多線程環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的日志系統(tǒng)】。

在很久之前，曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一篇文章《【最佳實(shí)踐】生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式中的雙緩沖技術(shù)》，討論了：在一個(gè)產(chǎn)品級(jí)的日志系統(tǒng)中，如何利用雙緩沖機(jī)制來(lái)解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者相關(guān)的問(wèn)題。

前段時(shí)間，有位小伙伴私信給我，希望可以具體聊一下這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案。

本來(lái)答應(yīng)在國(guó)慶期間完成的，但是我的拖延癥一犯再犯，一直拖到今天，終于把這個(gè)作業(yè)給補(bǔ)上了。

雙緩沖這個(gè)思路并不是我原創(chuàng)的，而是參考了大神陳碩老師的一本書(shū)《Linux 多線程服務(wù)端編程》。

從書(shū)名就可以看出，討論的是服務(wù)器端的相關(guān)編程內(nèi)容，而且是多線程場(chǎng)景下的，因此可以隱約看出，書(shū)中給出的參考代碼的質(zhì)量是很高的。

如果您的主力開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是 C++，強(qiáng)烈推薦您去研究下這本書(shū)。

很多 C++ 語(yǔ)言的細(xì)節(jié)問(wèn)題，作者都給出了自己專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎己徒鉀Q方案。

言歸正傳!

在上一篇文章中，我主要從思路、概念的角度，來(lái)描述如何利用雙緩沖機(jī)制。

這篇文章，我們就忠于書(shū)中原文，一起來(lái)學(xué)習(xí)一下作者的思考過(guò)程，并給出一些對(duì)性能起決定作用的關(guān)鍵代碼。

先來(lái)看一下書(shū)中的性能測(cè)試結(jié)果：

單片機(jī)中常用的環(huán)形緩沖區(qū)

一說(shuō)到緩沖區(qū)，相信各位小伙伴一定看過(guò)很多關(guān)于緩沖緩沖區(qū)的文章和代碼，在單片機(jī)中的使用率很高。

所謂的環(huán)形緩沖區(qū)，就是一塊平整的內(nèi)存區(qū)域，讓它的尾部連接到首部即可。

• 另一個(gè)類似的結(jié)構(gòu)：環(huán)形隊(duì)列，本質(zhì)上都是一樣的。

維護(hù)環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有head和tail指針。

當(dāng)寫(xiě)入的時(shí)候，把輸入寫(xiě)入到tail指針的位置，寫(xiě)完之后，遞增tail的指針值;

當(dāng)讀取的時(shí)候，從head指針的位置開(kāi)始讀取，讀完之后，也遞增head的指針值。

這樣的操作方式，比較適合那種簡(jiǎn)單的單輸入、單輸出場(chǎng)景。

只要處理好：當(dāng) head 和 tail 這兩個(gè)指針交匯的時(shí)候如何處理即可。

但是在x86的操作系統(tǒng)中，在多核 + 多線程的工作環(huán)境下，無(wú)論是從功能上、還是從性能上來(lái)考慮，這樣的環(huán)形緩沖區(qū)就滿足不了需求了。

還是拿日志系統(tǒng)來(lái)舉例：在一個(gè)應(yīng)用程序中，可能會(huì)有多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用日志系統(tǒng)的寫(xiě)入API接口函數(shù)，這就需要保證線程安全。

• 這樣的線程稱作 前臺(tái)/前端 線程。

日志數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中之后，最終是要輸出的，比如：寫(xiě)入到文件系統(tǒng)、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)端、輸出到其他的監(jiān)控系統(tǒng)等等。

實(shí)現(xiàn)輸出操作的也是一個(gè)線程，假如需要寫(xiě)入到文件系統(tǒng)，那么在寫(xiě)入期間，這個(gè)線程就需要一直持有緩沖區(qū)中的日志數(shù)據(jù)。

• 這樣的線程稱作 后臺(tái)/后端 線程。

但是，文件系統(tǒng)的寫(xiě)入速度是很慢的(畢竟要操作硬盤啊)，如果這個(gè)時(shí)候又有前臺(tái)線程需要寫(xiě)日志信息了，該如何處理?

總不能暴力的說(shuō)：后臺(tái)線程正在把現(xiàn)有的日志數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤上，已經(jīng)持有了內(nèi)存緩沖區(qū)，前臺(tái)線程你是后來(lái)的，先等著!

多線程異步日志：雙緩沖機(jī)制

在這本書(shū)中，作者對(duì)這樣的日志系統(tǒng)規(guī)定了幾個(gè)關(guān)鍵的要求，都是與實(shí)際的業(yè)務(wù)需求相關(guān)的：

1. 線程安全：多個(gè)線程可以并發(fā)寫(xiě)日志，不造成競(jìng)爭(zhēng)，兩個(gè)線程的日志信息不會(huì)交叉出現(xiàn);
2. 吞吐量大;
3. 日志消息有多種級(jí)別，格式可配置等等;

為了達(dá)到這個(gè)目的，作者提出了“雙緩沖”思路(Double Buffering)。

基本思路是：

準(zhǔn)備兩塊 buffer: A 和 B;

前端負(fù)責(zé)往 buffer A 填數(shù)據(jù)(日志信息);

后端負(fù)責(zé)把 buffer B 的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件。

當(dāng) buffer A 寫(xiě)滿之后，交換 A 和 B，讓后端將 buffer A 的數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件，而前端則往 buffer B 填入新的日志信息，如此反復(fù)。

其實(shí)還是蠻好理解的哈，我們還是來(lái)畫(huà)圖描述一下：

當(dāng) buffer A 寫(xiě)滿之后，交換兩個(gè)緩沖區(qū)：

雙緩沖機(jī)制為什么高效

使用兩個(gè)buffer緩沖區(qū)的好處是：

在大部分的時(shí)間中，前臺(tái)線程和后臺(tái)線程不會(huì)操作同一個(gè)緩沖區(qū)，這也就意味著前臺(tái)線程的操作，不需要等待后臺(tái)線程緩慢的寫(xiě)文件操作(因?yàn)椴恍枰i定臨界區(qū))。

還有一點(diǎn)就是：后臺(tái)線程把緩沖區(qū)中的日志信息，寫(xiě)入到文件系統(tǒng)中的頻率，完全由自己的寫(xiě)入策略來(lái)決定，避免了每條新日志信息都觸發(fā)(喚醒)后端日志線程。

例如：可以根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景，定義一個(gè)刷新頻率，例如：3秒。

只要刷新時(shí)間到了，即使緩沖區(qū)中的日志信息很少，也要把它們存儲(chǔ)到文件系統(tǒng)中。

換言之，前端線程不是將一條條日志信息分別傳送給后端線程，而是將多條信息拼成一個(gè)大的 buffer 傳送給后端，相當(dāng)于是批量處理，減少了線程喚醒的頻率，降低開(kāi)銷。

盡可能的降低 Lock 的時(shí)間

在剛才的描述中，有這么一句話：在[大部分的時(shí)間中]，前臺(tái)線程和后臺(tái)線程不會(huì)操作同一個(gè)緩沖區(qū)。

也就是是說(shuō)，在小部分時(shí)間內(nèi)，它們還是有可能操作同一個(gè)緩沖區(qū)的。

那就是：當(dāng)前臺(tái)的寫(xiě)入緩沖區(qū) buffer A 被寫(xiě)滿了，需要與 buffer B 進(jìn)行交換的時(shí)候。

交換的操作，是由后臺(tái)線程來(lái)執(zhí)行的，具體流程是：

1. 后臺(tái)線程被喚醒，此時(shí) buffer B 緩沖區(qū)是空的，因?yàn)樵谏弦淮芜M(jìn)入睡眠之前，buffer B 中數(shù)據(jù)已經(jīng)被寫(xiě)入到文件系統(tǒng)中了;
2. 把 buffer A 與 buffer B 進(jìn)行交換;
3. 把 buffer B 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到文件系統(tǒng);
4. 開(kāi)始休眠;

在第2個(gè)步驟中：交換緩沖區(qū)，就是把兩個(gè)指針變量的值交換一下而已，利用C++語(yǔ)言中的swap操作，效率很高。

在執(zhí)行交換緩沖區(qū)的時(shí)候，可能會(huì)有前臺(tái)線程寫(xiě)入日志，因此這個(gè)步驟需要在 Lock 的狀態(tài)下執(zhí)行。

可以看出：這個(gè)雙緩沖機(jī)制的前后臺(tái)日志系統(tǒng)，需要鎖定的代碼僅僅是交換兩個(gè)緩沖區(qū)這個(gè)動(dòng)作，Lock 的時(shí)間是極其短暫的!這就是它提高吞吐量的關(guān)鍵所在!

參考代碼

在示例代碼中，作者對(duì)雙緩沖機(jī)制進(jìn)行了擴(kuò)展，采用4個(gè)緩沖區(qū)，這樣可以進(jìn)一步減少或避免前端線程的等待時(shí)間。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

這里的 nextBuffer_ 相當(dāng)有是currentBuffer_的“備胎”。

當(dāng)前臺(tái)線程發(fā)現(xiàn)currentBuffer_不可用時(shí)(空間已滿，或者正在被后臺(tái)線程操作)，可以立刻寫(xiě)入到這個(gè)"備胎"緩沖區(qū)中，從而降低了前臺(tái)線程的等待時(shí)間。

下面是前臺(tái)線程的寫(xiě)入代碼：

前端線程在生成一條日志消息的時(shí)候，會(huì)調(diào)用append()函數(shù)。

在這個(gè)函數(shù)中，如果當(dāng)前緩沖區(qū)(currentBuffer_)剩余的空間足夠大，直接把消息消息拷貝(追加)進(jìn)去，這是最常見(jiàn)的情況。

如果當(dāng)前緩沖區(qū)的剩余空間，小于這次日志信息的寫(xiě)入長(zhǎng)度，就把它移動(dòng)到 buffer_ 集合中(一個(gè)Vector)，此時(shí)會(huì)發(fā)送喚醒信號(hào)給后端線程，然后把 nextBuffer_ 這個(gè)備胎 move 為 currentBuffer_。

• move 是 C++ 中的操作，意思是移動(dòng)，而不是拷貝/復(fù)制。

當(dāng)然了，如果前端的寫(xiě)入速度太快，一下子就把兩塊緩沖區(qū)都用完了，那么只好分配一塊新的 buffer 作為當(dāng)前緩沖區(qū)，這是極少發(fā)生的情況。

再來(lái)看看后端的代碼實(shí)現(xiàn)，這里只貼出了最關(guān)鍵的臨界區(qū)內(nèi)的代碼，也就是前文所說(shuō)的“小部分時(shí)間”的情況：

這段代碼中最重要的就是 swap 函數(shù)，它把前后臺(tái)使用的緩沖區(qū)進(jìn)行了交換。

當(dāng)前后臺(tái)緩沖區(qū)交換之后，就離開(kāi)了臨界區(qū)，此時(shí)后臺(tái)線程就可以慢慢的往文件系統(tǒng)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)了。

另外，這段代碼中還有一個(gè)地方比較有意思，就是對(duì)備胎 nextBuffer_ 的操作:

當(dāng)前臺(tái)中使用的備胎 nextBuffer_ 已經(jīng)被消耗掉時(shí)，后臺(tái)線程及時(shí)地為它補(bǔ)充一個(gè)新的備胎。

可以繼續(xù)優(yōu)化的地方

在本章的最后部分，作者提出了一個(gè)更加嚴(yán)苛的情況：

異步日志系統(tǒng)中，使用了一個(gè)全局鎖，盡管臨界區(qū)很小，但是如果線程數(shù)目較多，鎖爭(zhēng)用也可能影響性能。

一種解決方法是像 Java 的 ConCurrentHashMap 那樣使用多個(gè)桶子(bucket)，前端線程寫(xiě)日志的時(shí)候根據(jù)線程id哈希到不同的 bucket 中，以減少競(jìng)爭(zhēng)。

這種解決方案本質(zhì)上就是提供更多的緩沖區(qū)，并且把不同的緩沖區(qū)分配給不同的線程(根據(jù)線程 id 的哈希值)。

那些哈希到相同緩沖區(qū)的線程，同樣是存在爭(zhēng)用的情況的，只不過(guò)爭(zhēng)用的概率被降低了很多。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「IOT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)」