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

2023-10-17 09:04
文章标签 实战 c++ 设计 系统 设计模式 工作 日志 项目 异步 同步 器类 缓冲区

本文主要是介绍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，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

  • 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

🌸相关专栏推荐：C语言初阶系列、C语言进阶系列 、C++系列、数据结构与算法、Linux

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。

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

这篇关于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的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/224358。

相关文章

C语言小项目实战之通讯录功能

C语言小项目实战之通讯录功能

《C语言小项目实战之通讯录功能》：本文主要介绍如何设计和实现一个简单的通讯录管理系统,包括联系人信息的存储、增加、删除、查找、修改和排序等功能,文中通过代码介绍的非常详细,需要的朋友可以参考下... 目录功能介绍：添加联系人模块显示联系人模块删除联系人模块查找联系人模块修改联系人模块排序联系人模块源代码如下
阅读更多...
C++中使用vector存储并遍历数据的基本步骤

C++中使用vector存储并遍历数据的基本步骤

《C++中使用vector存储并遍历数据的基本步骤》C++标准模板库（STL）提供了多种容器类型,包括顺序容器、关联容器、无序关联容器和容器适配器,每种容器都有其特定的用途和特性,：本文主要介绍C... 目录（1）容器及简要描述‌php顺序容器‌‌关联容器‌‌无序关联容器‌（基于哈希表）：‌容器适配器‌：（
阅读更多...
SpringBoot项目中Maven剔除无用Jar引用的最佳实践

SpringBoot项目中Maven剔除无用Jar引用的最佳实践

《SpringBoot项目中Maven剔除无用Jar引用的最佳实践》在SpringBoot项目开发中,Maven是最常用的构建工具之一,通过Maven,我们可以轻松地管理项目所需的依赖,而,... 目录1、引言2、Maven 依赖管理的基础概念2.1 什么是 Maven 依赖2.2 Maven 的依赖传递机
阅读更多...
C#实现系统信息监控与获取功能

C#实现系统信息监控与获取功能

《C#实现系统信息监控与获取功能》在C#开发的众多应用场景中,获取系统信息以及监控用户操作有着广泛的用途,比如在系统性能优化工具中,需要实时读取CPU、GPU资源信息,本文将详细介绍如何使用C#来实现... 目录前言一、C# 监控键盘1. 原理与实现思路2. 代码实现二、读取 CPU、GPU 资源信息1.
阅读更多...
Vue项目中Element UI组件未注册的问题原因及解决方法

Vue项目中Element UI组件未注册的问题原因及解决方法

《Vue项目中ElementUI组件未注册的问题原因及解决方法》在Vue项目中使用ElementUI组件库时,开发者可能会遇到一些常见问题,例如组件未正确注册导致的警告或错误,本文将详细探讨这些问题... 目录引言一、问题背景1.1 错误信息分析1.2 问题原因二、解决方法2.1 全局引入 Element
阅读更多...
在C#中获取端口号与系统信息的高效实践

在C#中获取端口号与系统信息的高效实践

《在C#中获取端口号与系统信息的高效实践》在现代软件开发中,尤其是系统管理、运维、监控和性能优化等场景中,了解计算机硬件和网络的状态至关重要,C#作为一种广泛应用的编程语言,提供了丰富的API来帮助开... 目录引言1. 获取端口号信息1.1 获取活动的 TCP 和 UDP 连接说明：应用场景：2. 获取硬
阅读更多...
Golang操作DuckDB实战案例分享

Golang操作DuckDB实战案例分享

《Golang操作DuckDB实战案例分享》DuckDB是一个嵌入式SQL数据库引擎,它与众所周知的SQLite非常相似,但它是为olap风格的工作负载设计的,DuckDB支持各种数据类型和SQL特性... 目录DuckDB的主要优点环境准备初始化表和数据查询单行或多行错误处理和事务完整代码最后总结Duck
阅读更多...
JAVA系统中Spring Boot应用程序的配置文件application.yml使用详解

JAVA系统中Spring Boot应用程序的配置文件application.yml使用详解

《JAVA系统中SpringBoot应用程序的配置文件application.yml使用详解》：本文主要介绍JAVA系统中SpringBoot应用程序的配置文件application.yml的... 目录文件路径文件内容解释1. Server 配置2. Spring 配置3. Logging 配置4. Ma
阅读更多...
2.1/5.1和7.1声道系统有什么区别? 音频声道的专业知识科普

2.1/5.1和7.1声道系统有什么区别? 音频声道的专业知识科普

《2.1/5.1和7.1声道系统有什么区别?音频声道的专业知识科普》当设置环绕声系统时，会遇到2.1、5.1、7.1、7.1.2、9.1等数字，当一遍又一遍地看到它们时，可能想知道它们是什... 想要把智能电视自带的音响升级成专业级的家庭影院系统吗？那么你将面临一个重要的选择——使用 2.1、5.1 还是
阅读更多...
高效管理你的Linux系统: Debian操作系统常用命令指南

高效管理你的Linux系统: Debian操作系统常用命令指南

《高效管理你的Linux系统:Debian操作系统常用命令指南》在Debian操作系统中，了解和掌握常用命令对于提高工作效率和系统管理至关重要，本文将详细介绍Debian的常用命令，帮助读者更好地使... Debian是一个流行的linux发行版，它以其稳定性、强大的软件包管理和丰富的社区资源而闻名。在使用
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2