手把手教你从零设计一个java日志框架

2021-02-15 23:46:26 作者：空无

Java里的各种日志框架，相信大家都不陌生。Log4j/Log4j2/Logback/jboss logging等等，其实这些日志框架核心结构没什么区别，只是细节实现上和其性能上有所不同。本文带你从零开始，一步一步的设计一个日志框架

输出内容 - LoggingEvent

提到日志框架，最容易想到的核心功能，那就是输出日志了。那么对于一行日志内容来说，应该至少包含以下几个信息：

日志时间戳
线程信息
日志名称（一般是全类名）
日志级别
日志主体（需要输出的内容，比如info（str））

为了方便的管理输出内容，现在需要创建一个输出内容的类来封装这些信息：

public class LoggingEvent {
 public long timestamp;//日志时间戳
 private int level;//日志级别
 private Object message;//日志主题
 private String threadName;//线程名称
 private long threadId;//线程id
 private String loggerName;//日志名称
 
 //getter and setters...
 
 @Override
 public String toString() {
  return "LoggingEvent{" +
    "timestamp=" + timestamp +
    ", level=" + level +
    ", message=" + message +
    ", threadName='" + threadName + '\'' +
    ", threadId=" + threadId +
    ", loggerName='" + loggerName + '\'' +
    '}';
 }
}

对于每一次日志打印，应该属于一次输出的“事件-Event”，所以这里命名为LoggingEvent

输出组件 - Appender

有了输出内容之后，现在需要考虑输出方式。输出的方式可以有很多：标准输出/控制台（Standard Output/Console）、文件（File）、邮件（Email）、甚至是消息队列（MQ）和数据库。

现在将输出功能抽象成一个组件“输出器” - Appender，这个Appender组件的核心功能就是输出，下面是Appender的实现代码：

public interface Appender {
 void append(LoggingEvent event);
}

不同的输出方式，只需要实现Appender接口做不同的实现即可，比如ConsoleAppender - 输出至控制台

public class ConsoleAppender implements Appender {
 private OutputStream out = System.out;
 private OutputStream out_err = System.err;

 @Override
 public void append(LoggingEvent event) {
  try {
   out.write(event.toString().getBytes(encoding));
  } catch (IOException e) {
   e.printStackTrace();
  }
 }
}

日志级别设计 - Level

日志框架还应该提供日志级别的功能，程序在使用时可以打印不同级别的日志，还可以根据日志级别来调整那些日志可以显示，一般日志级别会定义为以下几种，级别从左到右排序，只有大于等于某级别的LoggingEvent才会进行输出

ERROR > WARN > INFO > DEBUG > TRACE
现在来创建一个日志级别的枚举，只有两个属性，一个级别名称，一个级别数值（方便做比较）

public enum Level {
 ERROR(40000, "ERROR"), WARN(30000, "WARN"), INFO(20000, "INFO"), DEBUG(10000, "DEBUG"), TRACE(5000, "TRACE");

 private int levelInt;
 private String levelStr;

 Level(int i, String s) {
  levelInt = i;
  levelStr = s;
 }

 public static Level parse(String level) {
  return valueOf(level.toUpperCase());
 }

 public int toInt() {
  return levelInt;
 }

 public String toString() {
  return levelStr;
 }

 public boolean isGreaterOrEqual(Level level) {
  return levelInt>=level.toInt();
 }

}

日志级别定义完成之后，再将LoggingEvent中的日志级别替换为这个Level枚举

public class LoggingEvent {
 public long timestamp;//日志时间戳
 private Level level;//替换后的日志级别
 private Object message;//日志主题
 private String threadName;//线程名称
 private long threadId;//线程id
 private String loggerName;//日志名称
 
 //getter and setters...
}

现在基本的输出方式和输出内容都已经基本完成，下一步需要设计日志打印的入口，毕竟有入口才能打印嘛

日志打印入口 - Logger

现在来考虑日志打印入口如何设计，作为一个日志打印的入口，需要包含以下核心功能：

提供error/warn/info/debug/trace几个打印的方法
拥有一个name属性，用于区分不同的logger
调用appender输出日志
拥有自己的专属级别（比如自身级别为INFO，那么只有INFO/WARN/ERROR才可以输出）

先来简单创建一个Logger接口，方便扩展

public interface Logger{
 void trace(String msg);
 void info(String msg);
 void debug(String msg);
 void warn(String msg);
 void error(String msg);
 String getName();
}

再创建一个默认的Logger实现类：

public class LogcLogger implements Logger{
 private String name;
 private Appender appender;
 private Level level = Level.TRACE;//当前Logger的级别，默认最低
 private int effectiveLevelInt;//冗余级别字段，方便使用
 
 @Override
 public void trace(String msg) {
  filterAndLog(Level.TRACE,msg);
 }

 @Override
 public void info(String msg) {
  filterAndLog(Level.INFO,msg);
 }

 @Override
 public void debug(String msg) {
  filterAndLog(Level.DEBUG,msg);
 }

 @Override
 public void warn(String msg) {
  filterAndLog(Level.WARN,msg);
 }

 @Override
 public void error(String msg) {
  filterAndLog(Level.ERROR,msg);
 }
 
 /**
  * 过滤并输出，所有的输出方法都会调用此方法
  * @param level 日志级别
  * @param msg 输出内容
  */
 private void filterAndLog(Level level,String msg){
  LoggingEvent e = new LoggingEvent(level, msg,getName());
  //目标的日志级别大于当前级别才可以输出
  if(level.toInt() >= effectiveLevelInt){
   appender.append(e);
  }
 }
 
 @Override
 public String getName() {
  return name;
 }
 
 //getters and setters...
}

好了，到现在为止，现在已经完成了一个最最最基本的日志模型，可以创建Logger，输出不同级别的日志。不过显然还不太够，还是缺少一些核心功能

日志层级 - Hierarchy

一般在使用日志框架时，有一个很基本的需求：不同包名的日志使用不同的输出方式，或者不同包名下类的日志使用不同的日志级别，比如我想让框架相关的DEBUG日志输出，便于调试，其他默认用INFO级别。

而且在使用时并不希望每次创建Logger都引用一个Appender，这样也太不友好了；最好是直接使用一个全局的Logger配置，同时还支持特殊配置的Logger，且这个配置需要让程序中创建Logger时无感（比如LoggerFactory.getLogger(XXX.class)）

可上面现有的设计可无法满足这个需求，需要稍加改造

现在设计一个层级结构，每一个Logger拥有一个Parent Logger，在filterAndLog时优先使用自己的Appender，如果自己没有Appender，那么就向上调用父类的appnder，有点反向“双亲委派（parents delegate）”的意思

上图中的Root Logger，就是全局默认的Logger，默认情况下它是所有Logger（新创建的）的Parent Logger。所以在filterAndLog时，默认都会使用Root Logger的appender和level来进行输出

现在将filterAndLog方法调整一下，增加向上调用的逻辑：

private LogcLogger parent;//先给增加一个parent属性

private void filterAndLog(Level level,String msg){
 LoggingEvent e = new LoggingEvent(level, msg,getName());
 //循环向上查找可用的logger进行输出
 for (LogcLogger l = this;l != null;l = l.parent){
  if(l.appender == null){
   continue;
  }
  if(level.toInt()>effectiveLevelInt){
   l.appender.append(e);
  }
  break;
 }
}

好了，现在这个日志层级的设计已经完成了，不过上面提到不同包名使用不同的logger配置，还没有做到，包名和logger如何实现对应呢？

其实很简单，只需要为每个包名的配置单独定义一个全局Logger，在解析包名配置时直接为不同的包名

日志上下文 - LoggerContext

考虑到有一些全局的Logger，和Root Logger需要被各种Logger引用，所以得设计一个Logger容器，用来存储这些Logger

/**
 * 一个全局的上下文对象
 */
public class LoggerContext {

 /**
  * 根logger
  */
 private Logger root;

 /**
  * logger缓存，存放解析配置文件后生成的logger对象，以及通过程序手动创建的logger对象
  */
 private Map<String,Logger> loggerCache = new HashMap<>();

 public void addLogger(String name,Logger logger){
  loggerCache.put(name,logger);
 }

 public void addLogger(Logger logger){
  loggerCache.put(logger.getName(),logger);
 }
 //getters and setters...
}

有了存放Logger对象们的容器，下一步可以考虑创建Logger了

日志创建 - LoggerFactory

为了方便的构建Logger的层级结构，每次new可不太友好，现在创建一个LoggerFactory接口

public interface ILoggerFactory {
 //通过class获取/创建logger
 Logger getLogger(Class<?> clazz);
 //通过name获取/创建logger
 Logger getLogger(String name);
 //通过name创建logger
 Logger newLogger(String name);
}

再来一个默认的实现类

public class StaticLoggerFactory implements ILoggerFactory {

 private LoggerContext loggerContext;//引用LoggerContext

 @Override
 public Logger getLogger(Class<?> clazz) {
  return getLogger(clazz.getName());
 }

 @Override
 public Logger getLogger(String name) {
  Logger logger = loggerContext.getLoggerCache().get(name);
  if(logger == null){
   logger = newLogger(name);
  }
  return logger;
 }
 
 /**
  * 创建Logger对象
  * 匹配logger name，拆分类名后和已创建（包括配置的）的Logger进行匹配
  * 比如当前name为com.aaa.bbb.ccc.XXService，那么name为com/com.aaa/com.aaa.bbb/com.aaa.bbb.ccc
  * 的logger都可以作为parent logger，不过这里需要顺序拆分，优先匹配“最近的”
  * 在这个例子里就会优先匹配com.aaa.bbb.ccc这个logger，作为自己的parent
  *
  * 如果没有任何一个logger匹配，那么就使用root logger作为自己的parent
  *
  * @param name Logger name
  */
 @Override
 public Logger newLogger(String name) {
  LogcLogger logger = new LogcLogger();
  logger.setName(name);
  Logger parent = null;
  //拆分包名，向上查找parent logger
  for (int i = name.lastIndexOf("."); i >= 0; i = name.lastIndexOf(".",i-1)) {
   String parentName = name.substring(0,i);
   parent = loggerContext.getLoggerCache().get(parentName);
   if(parent != null){
    break;
   }
  }
  if(parent == null){
   parent = loggerContext.getRoot();
  }
  logger.setParent(parent);
  logger.setLoggerContext(loggerContext);
  return logger;
 }
}

再来一个静态工厂类，方便使用：

public class LoggerFactory {

 private static ILoggerFactory loggerFactory = new StaticLoggerFactory();

 public static ILoggerFactory getLoggerFactory(){
  return loggerFactory;
 }

 public static Logger getLogger(Class<?> clazz){
  return getLoggerFactory().getLogger(clazz);
 }

 public static Logger getLogger(String name){
  return getLoggerFactory().getLogger(name);
 }
}

至此，所有基本组件已经完成，剩下的就是装配了

配置文件设计

配置文件需至少需要有以下几个配置功能：

配置Appender
配置Logger
配置Root Logger

下面是一份最小配置的示例

<configuration>

 <appender name="std_plain" class="cc.leevi.common.logc.appender.ConsoleAppender">
 </appender>

 <logger name="cc.leevi.common.logc">
  <appender-ref ref="std_plain"/>
 </logger>

 <root level="trace">
  <appender-ref ref="std_pattern"/>
 </root>
</configuration>

除了XML配置，还可以考虑增加YAML/Properties等形式的配置文件，所以这里需要将解析配置文件的功能抽象一下，设计一个Configurator接口，用于解析配置文件：

public interface Configurator {
 void doConfigure();
}

再创建一个默认的XML形式的配置解析器：

public class XMLConfigurator implements Configurator{
 
 private final LoggerContext loggerContext;
 
 public XMLConfigurator(URL url, LoggerContext loggerContext) {
  this.url = url;//文件url
  this.loggerContext = loggerContext;
 }
 
 @Override
 public void doConfigure() {
  try{
   DocumentBuilderFactory factory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
   DocumentBuilder documentBuilder = factory.newDocumentBuilder();
   Document document = documentBuilder.parse(url.openStream());
   parse(document.getDocumentElement());
   ...
  }catch (Exception e){
   ...
  }
 }
 private void parse(Element document) throws IllegalAccessException, ClassNotFoundException, InstantiationException {
  //do parse...
 }
}

解析时，装配LoggerContext，将配置中的Logger/Root Logger/Appender等信息构建完成，填充至传入的LoggerContext

现在还需要一个初始化的入口，用于加载/解析配置文件，提供加载/解析后的全局LoggerContext

public class ContextInitializer {
 final public static String AUTOCONFIG_FILE = "logc.xml";//默认使用xml配置文件
 final public static String YAML_FILE = "logc.yml";

 private static final LoggerContext DEFAULT_LOGGER_CONTEXT = new LoggerContext();
 
 /**
 * 初始化上下文
 */
 public static void autoconfig() {
  URL url = getConfigURL();
  if(url == null){
   System.err.println("config[logc.xml or logc.yml] file not found!");
   return ;
  }
  String urlString = url.toString();
  Configurator configurator = null;

  if(urlString.endsWith("xml")){
   configurator = new XMLConfigurator(url,DEFAULT_LOGGER_CONTEXT);
  }
  if(urlString.endsWith("yml")){
   configurator = new YAMLConfigurator(url,DEFAULT_LOGGER_CONTEXT);
  }
  configurator.doConfigure();
 }

 private static URL getConfigURL(){
  URL url = null;
  ClassLoader classLoader = ContextInitializer.class.getClassLoader();
  url = classLoader.getResource(AUTOCONFIG_FILE);
  if(url != null){
   return url;
  }
  url = classLoader.getResource(YAML_FILE);
  if(url != null){
   return url;
  }
  return null;
 }
 
 /**
 * 获取全局默认的LoggerContext
 */
 public static LoggerContext getDefautLoggerContext(){
  return DEFAULT_LOGGER_CONTEXT;
 }
}

现在还差一步，将加载配置文件的方法嵌入LoggerFactory，让LoggerFactory.getLogger的时候自动初始化，来改造一下StaticLoggerFactory：

public class StaticLoggerFactory implements ILoggerFactory {

 private LoggerContext loggerContext;

 public StaticLoggerFactory() {
  //构造StaticLoggerFactory时，直接调用配置解析的方法，并获取loggerContext
  ContextInitializer.autoconfig();
  loggerContext = ContextInitializer.getDefautLoggerContext();
 }
}

现在，一个日志框架就已经基本完成了。虽然还有很多细节没有完善，但主体功能都已经包含，麻雀虽小五脏俱全

完整代码

本文中为了便于阅读，有些代码并没有贴上来，详细完整的代码可以参考：

https://github.com/kongwu-/logc