作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。
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別人的經驗，我們的階梯！
大家好，我是道哥，今天我為大夥兒解說的技術知識點是：【在多執行緒環境下，如何實現一個高效的日誌系統】。
在很久之前，曾經寫過一篇文章《【最佳實踐】生產者和消費者模式中的雙緩衝技術》，討論了：在一個產品級的日誌系統中，如何利用雙緩衝機制來解決生產者-消費者相關的問題。
前段時間，有位小夥伴私信給我，希望可以具體聊一下這個實現方案。
本來答應在國慶期間完成的，但是我的拖延症一犯再犯，一直拖到今天，終於把這個作業給補上了。
雙緩衝這個思路並不是我原創的，而是參考了大神陳碩老師的一本書《Linux 多執行緒服務端程式設計》。
從書名就可以看出，討論的是伺服器端的相關程式設計內容，而且是多執行緒場景下的，因此可以隱約看出，書中給出的參考程式碼的質量是很高的。
如果您的主力開發語言是 C++，強烈推薦您去研究下這本書。
很多 C++ 語言的細節問題，作者都給出了自己專業、嚴謹的思考和解決方案。
言歸正傳！
在上一篇文章中，我主要從思路、概念的角度，來描述如何利用雙緩衝機制。
這篇文章，我們就忠於書中原文，一起來學習一下作者的思考過程，並給出一些對效能起決定作用的關鍵程式碼。
先來看一下書中的效能測試結果：
微控制器中常用的環形緩衝區
一說到緩衝區，相信各位小夥伴一定看過很多關於緩衝緩衝區的文章和程式碼，在微控制器中的使用率很高。
所謂的環形緩衝區，就是一塊平整的記憶體區域，讓它的尾部連線到首部即可。
另一個類似的結構：環形佇列，本質上都是一樣的。
維護環形緩衝區的資料結構中，有head和tail指標。
當寫入的時候，把輸入寫入到tail指標的位置，寫完之後，遞增tail的指標值；
當讀取的時候，從head指標的位置開始讀取，讀完之後，也遞增head的指標值。
這樣的操作方式，比較適合那種簡單的單輸入、單輸出場景。
只要處理好：當 head 和 tail 這兩個指標交匯的時候如何處理即可。
但是在x86的作業系統中，在多核 + 多執行緒的工作環境下，無論是從功能上、還是從效能上來考慮，這樣的環形緩衝區就滿足不了需求了。
還是拿日誌系統來舉例：在一個應用程式中，可能會有多個執行緒同時呼叫日誌系統的寫入API介面函式，這就需要保證執行緒安全。
這樣的執行緒稱作 前臺/前端 執行緒。
日誌資料儲存在記憶體中之後，最終是要輸出的，比如：寫入到檔案系統、通過網路上傳到服務端、輸出到其他的監控系統等等。
實現輸出操作的也是一個執行緒，假如需要寫入到檔案系統，那麼在寫入期間，這個執行緒就需要一直持有緩衝區中的日誌資料。
這樣的執行緒稱作 後臺/後端 執行緒。
但是，檔案系統的寫入速度是很慢的(畢竟要操作硬碟啊)，如果這個時候又有前臺執行緒需要寫日誌資訊了，該如何處理？
總不能暴力的說：後臺執行緒正在把現有的日誌資料儲存到硬碟上，已經持有了記憶體緩衝區，前臺執行緒你是後來的，先等著！
多執行緒非同步日誌：雙緩衝機制
在這本書中，作者對這樣的日誌系統規定了幾個關鍵的要求，都是與實際的業務需求相關的：
執行緒安全：多個執行緒可以併發寫日誌，不造成競爭，兩個執行緒的日誌資訊不會交叉出現;
吞吐量大;
日誌訊息有多種級別，格式可配置等等;
為了達到這個目的，作者提出了“雙緩衝”思路(Double Buffering)。
基本思路是：
準備兩塊 buffer: A 和 B;
前端負責往 buffer A 填資料(日誌資訊)；
後端負責把 buffer B 的資料寫入檔案。
當 buffer A 寫滿之後，交換 A 和 B，讓後端將 buffer A 的資料寫入檔案，而前端則往 buffer B 填入新的日誌資訊，如此反覆。
其實還是蠻好理解的哈，我們還是來畫圖描述一下：
當 buffer A 寫滿之後，交換兩個緩衝區：
雙緩衝機制為什麼高效
使用兩個buffer緩衝區的好處是：
在大部分的時間中，前臺執行緒和後臺執行緒不會操作同一個緩衝區，這也就意味著前臺執行緒的操作，不需要等待後臺執行緒緩慢的寫檔案操作(因為不需要鎖定臨界區)。
還有一點就是：後臺執行緒把緩衝區中的日誌資訊，寫入到檔案系統中的頻率，完全由自己的寫入策略來決定，避免了每條新日誌資訊都觸發(喚醒)後端日誌執行緒。
例如：可以根據實際使用場景，定義一個重新整理頻率，例如：3秒。
只要重新整理時間到了，即使緩衝區中的日誌資訊很少，也要把它們儲存到檔案系統中。
換言之，前端執行緒不是將一條條日誌資訊分別傳送給後端執行緒，而是將多條資訊拼成一個大的 buffer 傳送給後端，相當於是批量處理，減少了執行緒喚醒的頻率，降低開銷。
儘可能的降低 Lock 的時間
在剛才的描述中，有這麼一句話：在[大部分的時間中]，前臺執行緒和後臺執行緒不會操作同一個緩衝區。
也就是是說，在小部分時間內，它們還是有可能操作同一個緩衝區的。
那就是：當前臺的寫入緩衝區 buffer A 被寫滿了，需要與 buffer B 進行交換的時候。
交換的操作，是由後臺執行緒來執行的，具體流程是：
後臺執行緒被喚醒，此時 buffer B 緩衝區是空的，因為在上一次進入睡眠之前，buffer B 中資料已經被寫入到檔案系統中了;
把 buffer A 與 buffer B 進行交換;
把 buffer B 中的資料寫入到檔案系統;
開始休眠;
在第2個步驟中：交換緩衝區，就是把兩個指標變數的值交換一下而已，利用C++語言中的swap操作，效率很高。
在執行交換緩衝區的時候，可能會有前臺執行緒寫入日誌，因此這個步驟需要在 Lock 的狀態下執行。
可以看出：這個雙緩衝機制的前後臺日志系統，需要鎖定的程式碼僅僅是交換兩個緩衝區這個動作，Lock 的時間是極其短暫的！這就是它提高吞吐量的關鍵所在！
參考程式碼
在示例程式碼中，作者對雙緩衝機制進行了擴充套件，採用4個緩衝區，這樣可以進一步減少或避免前端執行緒的等待時間。
資料結構如下：
這裡的 nextBuffer_ 相當有是currentBuffer_的“備胎”。
當前臺執行緒發現currentBuffer_不可用時(空間已滿，或者正在被後臺執行緒操作)，可以立刻寫入到這個"備胎"緩衝區中，從而降低了前臺執行緒的等待時間。
下面是前臺執行緒的寫入程式碼：
前端執行緒在生成一條日誌訊息的時候，會呼叫append()函式。
在這個函式中，如果當前緩衝區(currentBuffer_)剩餘的空間足夠大，直接把訊息訊息拷貝(追加)進去，這是最常見的情況。
如果當前緩衝區的剩餘空間，小於這次日誌資訊的寫入長度，就把它移動到 buffer_ 集合中(一個Vector)，此時會傳送喚醒訊號給後端執行緒，然後把 nextBuffer_ 這個備胎 move 為 currentBuffer_。
move 是 C++ 中的操作，意思是移動，而不是拷貝/複製。
當然了，如果前端的寫入速度太快，一下子就把兩塊緩衝區都用完了，那麼只好分配一塊新的 buffer 作為當前緩衝區，這是極少發生的情況。
再來看看後端的程式碼實現，這裡只貼出了最關鍵的臨界區內的程式碼，也就是前文所說的“小部分時間”的情況：
這段程式碼中最重要的就是 swap 函式，它把前後臺使用的緩衝區進行了交換。
當前後臺緩衝區交換之後，就離開了臨界區，此時後臺執行緒就可以慢慢的往檔案系統中寫入資料了。
另外，這段程式碼中還有一個地方比較有意思，就是對備胎 nextBuffer_ 的操作:
當前臺中使用的備胎 nextBuffer_ 已經被消耗掉時，後臺執行緒及時地為它補充一個新的備胎。
可以繼續優化的地方
在本章的最後部分，作者提出了一個更加嚴苛的情況：
非同步日誌系統中，使用了一個全域性鎖，儘管臨界區很小，但是如果執行緒數目較多，鎖爭用也可能影響效能。
一種解決方法是像 Java 的 ConCurrentHashMap 那樣使用多個桶子(bucket)，前端執行緒寫日誌的時候根據執行緒id雜湊到不同的 bucket 中，以減少競爭。
這種解決方案本質上就是提供更多的緩衝區，並且把不同的緩衝區分配給不同的執行緒(根據執行緒 id 的雜湊值)。
那些雜湊到相同緩衝區的執行緒，同樣是存在爭用的情況的，只不過爭用的概率被降低了很多。
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