日志系统的进化之路

最新推荐文章于 2025-11-23 13:27:25 发布

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#java #jvm #servlet #c++

从 C 到 C++17：手写日志系统的进化之路

在 C/C++ 开发中，日志是定位问题、监控程序运行的 “眼睛”。直接用printf打印信息虽然简单，但缺乏分级控制、上下文信息（时间、位置、线程），生产环境中还会产生大量冗余输出。而第三方日志库（如 spdlog、log4cpp）虽功能强大，但有时会引入不必要的依赖，对于轻量级项目或嵌入式场景并不友好。

这篇文章就从实际开发需求出发，一步步实现从 C 语言宏定义到 C++17 折叠表达式的日志系统，带你体会不同实现方案的设计思路、优缺点，最终得到一个轻量、高效、类型安全的日志工具。

一、核心需求：一个实用日志系统该具备什么？

在动手之前，先明确日志系统的核心需求 —— 毕竟好的设计都是从需求出发的：

日志分级：支持 INFO（信息）、DEBUG（调试）、ERROR（错误）三级，可按需开关（开发时输 DEBUG，生产时只输 ERROR）；
上下文完备：自动携带时间戳、文件名、行号、线程 ID，调试时能快速定位问题；
类型安全：避免printf的格式符与参数不匹配（如%d对应string）导致的运行时崩溃；
轻量无依赖：不依赖第三方库，仅用标准库实现；
易用性强：调用方式接近printf，无需复杂配置。

带着这些需求，我们从最基础的 C 语言版本开始，逐步迭代优化。

二、V1.0：C 语言宏定义版（兼容 C/C++，轻量灵活）

这是最基础也最常用的实现方式，基于宏定义和stdarg.h，兼容 C 和 C++ 项目，适合对依赖有严格要求的场景。

2.1 实现代码

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

// 日志分级
#define LOG_LEVEL DEBUG  // 全局输出阈值：DEBUG=输出所有，ERROR=只输出错误
#define INFO 0
#define DEBUG 1
#define ERROR 2

// 核心日志宏
#define LOG(level, format, ...) do { \
    if (level < LOG_LEVEL) break; \
    /* 时间戳处理 */ \
    time_t t = time(NULL); \
    struct tm ltm; \
    localtime_r(&t, &ltm);  // 线程安全版本（POSIX），Windows用localtime_s \
    char time_buf[32] = {0}; \
    strftime(time_buf, 31, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &ltm); \
    /* 输出日志：线程ID+时间+文件+行号+内容 */ \
    fprintf(stdout, "[%p] [%s] [%s:%d] " format "\n", \
            (void*)pthread_self(), time_buf, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__); \
} while(0)

// 简化调用接口
#define INFO_LOG(format, ...) LOG(INFO, format, ##__VA_ARGS__)
#define DEBUG_LOG(format, ...) LOG(DEBUG, format, ##__VA_ARGS__)
#define ERROR_LOG(format, ...) LOG(ERROR, format, ##__VA_ARGS__)

// 测试代码
int main() {
    INFO_LOG("程序启动，版本号：%s", "v1.0.0");
    DEBUG_LOG("初始化缓冲区，大小：%d字节", 1024);
    int ret = -1;
    if (ret != 0) {
        ERROR_LOG("接口调用失败，错误码：%d", ret);
    }
    return 0;
}

2.2 核心设计思路

分级控制：通过LOG_LEVEL阈值过滤日志，低于阈值的日志直接跳过，无需修改业务代码即可切换环境；
上下文封装：利用__FILE__（文件名）、__LINE__（行号）预定义宏，自动获取代码位置；pthread_self()获取线程 ID，适配多线程场景；
可变参数处理：stdarg.h的__VA_ARGS__接收可变参数，##用于消除参数为空时的多余逗号，避免语法错误；
线程安全：用localtime_r替代localtime（后者非线程安全），避免多线程环境下时间戳错乱。

2.3 优缺点

优点：轻量无依赖、兼容 C/C++、调用简单、无运行时开销；
缺点：类型不安全（格式符与参数类型不匹配编译不报错）、不支持自定义类型（如自定义类）、参数中含逗号需特殊处理。

三、V2.0：C++11 递归模板版（类型安全，兼容旧标准）

C++11 引入的可变参数模板解决了类型安全问题，通过编译期类型推导，避免格式符不匹配的错误。这个版本兼容 C++11 及以上标准，适合无法升级到 C++17 的项目。

3.1 实现代码

#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <time.h>
#include <thread>
#include <cassert>

// 日志分级
enum class LogLevel { INFO, DEBUG, ERROR };
const LogLevel G_LOG_LEVEL = LogLevel::DEBUG;

// 递归终止函数：参数包为空时调用
void log_impl() {
    std::cout << std::endl;
}

// 递归展开参数包：每次处理一个参数
template<typename T, typename... Args>
void log_impl(const T& first, const Args&... rest) {
    // 打印参数类型和值（typeid需开启RTTI）
    std::cout << "[" << typeid(T).name() << ":" << first << "] ";
    log_impl(rest...);  // 递归处理剩余参数
}

// 日志前缀：时间戳+线程ID+文件+行号
void log_prefix(const char* file, int line) {
    // 时间戳（线程安全）
    time_t t = time(NULL);
    struct tm ltm;
    localtime_r(&t, &ltm);
    char time_buf[32] = {0};
    strftime(time_buf, 31, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &ltm);
    
    // 线程ID（C++11跨平台）
    auto tid = std::this_thread::get_id();
    
    // 输出前缀
    std::cout << "[" << tid << "] [" << time_buf << "] [" << file << ":" << line << "] ";
}

// 对外接口：支持分级控制
template<typename... Args>
void LOG(LogLevel level, const char* file, int line, const Args&... args) {
    if (level < G_LOG_LEVEL) return;
    log_prefix(file, line);
    log_impl(args...);
}

// 简化调用（自动传入文件和行号）
#define INFO_LOG(...) LOG(LogLevel::INFO, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#define DEBUG_LOG(...) LOG(LogLevel::DEBUG, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#define ERROR_LOG(...) LOG(LogLevel::ERROR, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)

// 测试自定义类（需重载operator<<）
class Person {
public:
    std::string name;
    int age;
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Person& p) {
        os << p.name << "(" << p.age << ")";
        return os;
    }
};

// 测试代码
int main() {
    INFO_LOG("程序启动", "v2.0.0");
    DEBUG_LOG("用户信息", Person{"张三", 23}, "分数", 95.5f);
    int ret = -2;
    if (ret != 0) {
        ERROR_LOG("数据库连接失败", "错误码", ret);
    }
    return 0;
}

3.2 核心设计思路

类型安全：通过可变参数模板typename... Args推导参数类型，无需手动指定格式符，编译期就能检查类型错误；
递归展开参数包：用log_impl递归处理每个参数，直到参数包为空（触发无参log_impl终止）；
跨平台兼容：用std::this_thread::get_id()替代pthread_self()，支持 Windows、Linux 跨平台；
支持自定义类：只要重载operator<<，就能直接输出自定义对象，灵活性更强。

3.3 优缺点

优点：类型安全、支持任意类型参数、跨平台、可扩展；
缺点：需要手动实现递归终止函数、代码略显冗余、依赖 C++11 及以上标准。

四、V3.0：C++17 折叠表达式版（极致简洁，高效优雅）

C++17 引入的折叠表达式（Fold Expression）彻底解决了递归模板的冗余问题，一行代码就能展开参数包，让日志系统的实现变得极致简洁。

4.1 实现代码

#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <time.h>
#include <thread>
#include <string>

// 日志分级与全局阈值
enum class LogLevel { INFO, DEBUG, ERROR };
constexpr LogLevel G_LOG_LEVEL = LogLevel::DEBUG;

// 友好的类型名转换（解决typeid.name()可读性差的问题）
template<typename T>
std::string get_type_name() {
    std::string name = typeid(T).name();
    if (name == "PKc") return "string";    // GCC: const char*
    if (name == "i") return "int";         // GCC: int
    if (name == "f") return "float";       // GCC: float
    if (name == "d") return "double";      // GCC: double
    if (name == "b") return "bool";        // GCC: bool
    return name;
}

// 日志前缀：时间戳+线程ID+文件+行号
void log_prefix(const char* file, int line) {
    // 时间戳（线程安全）
    time_t t = time(nullptr);
    struct tm ltm;
    localtime_r(&t, &ltm);
    char time_buf[32] = {0};
    strftime(time_buf, 31, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &ltm);
    
    // 线程ID转换为字符串（便于输出）
    std::string tid_str = std::to_string(std::hash<std::thread::id>{}(std::this_thread::get_id()));
    
    // 输出前缀
    std::cout << "[" << tid_str.substr(0, 8) << "] [" << time_buf << "] [" << file << ":" << line << "] ";
}

// 核心日志函数：C++17折叠表达式展开参数包
template<typename... Args>
void LOG(LogLevel level, const char* file, int line, const Args&... args) {
    if (level < G_LOG_LEVEL) return;
    log_prefix(file, line);
    
    // 折叠表达式：一行展开所有参数（逗号运算符）
    (std::cout << "[" << get_type_name<Args>() << ":" << args << "] ", ...) << std::endl;
}

// 简化调用宏
#define INFO_LOG(...) LOG(LogLevel::INFO, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#define DEBUG_LOG(...) LOG(LogLevel::DEBUG, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#define ERROR_LOG(...) LOG(LogLevel::ERROR, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)

// 测试自定义类
class Student {
public:
    std::string name;
    int id;
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Student& s) {
        os << "Student{id:" << s.id << ", name:" << s.name << "}";
        return os;
    }
};

// 测试代码
int main() {
    INFO_LOG("服务启动成功", "端口", 8080);
    DEBUG_LOG("请求处理", "用户", Student{"李四", 1001}, "耗时", 3.2f, "ms");
    bool is_connect = false;
    if (!is_connect) {
        ERROR_LOG("网络连接失败", "状态", is_connect);
    }
    return 0;
}

4.2 核心设计思路

折叠表达式简化参数展开：用(std::cout << ... , args)一行代码替代递归，编译期直接展开为多个输出语句，效率更高、可读性更强；
友好的类型名：自定义get_type_name函数，将编译器晦涩的类型名（如PKc）转换为直观的名称（如string），日志更易读；
线程 ID 处理：用std::hash将thread::id转换为字符串，避免不同平台线程 ID 输出格式不一致的问题；
** constexpr 优化 **：G_LOG_LEVEL用constexpr定义，编译期就能确定是否输出日志，无运行时开销。

4.3 优缺点

优点：极致简洁、类型安全、编译效率高、支持任意类型、日志可读性强；
缺点：依赖 C++17 及以上标准，需要编译器开启-std=c++17（GCC）或对应选项（VS2017+）。

五、三个版本对比与选型建议

特性	C 语言宏定义版（V1.0）	C++11 递归模板版（V2.0）	C++17 折叠表达式版（V3.0）
语言支持	C/C++	C++11+	C++17+
类型安全	❌	✅	✅
支持自定义类	❌	✅（需重载 <<）	✅（需重载 <<）
代码简洁度	中	低	高
线程安全	✅（需手动处理）	✅（跨平台）	✅（跨平台）
编译器依赖	无	支持 C++11 即可	需支持 C++17
适用场景	C 项目、嵌入式、轻量场景	无法升级 C++17 的 C++ 项目	现代 C++ 项目、追求简洁高效

选型建议：

若开发 C 项目或嵌入式场景：选 V1.0，无依赖、兼容性强；
若 C++ 项目但无法升级到 C++17：选 V2.0，兼顾类型安全和兼容性；
若使用 C++17 及以上标准：选 V3.0，简洁高效，是最优解。

六、实战扩展：让日志系统更实用

无论选择哪个版本，都可以根据实际需求添加以下扩展功能，让日志系统更贴合项目场景：

1. 输出到文件（而非控制台）

将日志输出到文件，避免程序退出后日志丢失：

#include <fstream>
std::ofstream g_log_file("app.log", std::ios::app); // 追加模式

// 替换cout为g_log_file
g_log_file << "[" << time_buf << "] " << ...;

2. 日志轮转（防止文件过大）

当日志文件达到指定大小（如 100MB）或每天凌晨，自动创建新文件：

void check_log_rotate() {
    std::ifstream file("app.log");
    file.seekg(0, std::ios::end);
    if (file.tellg() > 1024 * 1024 * 100) { // 100MB
        g_log_file.close();
        rename("app.log", "app.log.1"); // 重命名旧日志
        g_log_file.open("app.log", std::ios::app); // 新建日志文件
    }
}

3. 关闭 RTTI 依赖

若项目关闭了 RTTI（-fno-rtti），可移除typeid相关代码，或用模板特化实现类型判断：

// 模板特化获取类型名（无需RTTI）
template<typename T> struct TypeName { static const char* name; };
template<> struct TypeName<int> { static const char* name; };
const char* TypeName<int>::name = "int";
// 其他类型同理...

// 调用：TypeName<Args>::name

4. 支持格式化字符串

C++20 引入std::format，可替代cout实现更灵活的格式化输出：

#include <format>
// 折叠表达式结合format
(std::cout << std::format("[{}:{}]", TypeName<Args>::name, args) << " ", ...) << std::endl;

七、总结

从 C 语言的宏定义到 C++17 的折叠表达式，日志系统的进化本质上是 “兼顾灵活性、安全性和简洁性” 的过程。每个版本都有其适用场景，没有绝对的 “最优解”，只有最适合项目的选择。

核心收获：

宏定义版胜在兼容和轻量，适合 C 项目或嵌入式场景；
C++11 模板版解决了类型安全问题，兼容旧标准；
C++17 折叠表达式版将简洁性和效率推向极致，是现代 C++ 的首选。

实际开发中，可根据项目的语言版本、依赖要求、功能需求，选择合适的实现方案，或基于本文代码进行二次扩展。如果你的项目有特殊场景（如嵌入式、高并发），欢迎在评论区分享，我们可以一起探讨优化方案～