C++ 日志系统设计：从基础实现到性能优化

这里我们用 std::ofstream 负责持久化，std::mutex 确保多线程写入时的互斥。虽然简单，但在高并发场景下，频繁的 I/O 操作会成为瓶颈。

第二阶段：引入异步与缓冲

当日志量增大时，同步写入会拖慢主线程。我们可以引入队列和后台工作线程，将日志先放入内存，由独立线程批量刷盘。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <queue>

enum class LogLevel { ERROR, WARNING, INFO, DEBUG };

class Logger {
public:
    Logger(const std::string& file_name) : exit_(false) {
        file_stream_.open(file_name, std::ios::out | std::ios::app);
        worker_ = std::thread(&Logger::writeLog, this);
    }

    ~Logger() {
        exit_ = true;
        cv_.notify_all();
        worker_.join();
        file_stream_.close();
    }

    void Log(LogLevel level, const std::string& message) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        log_queue_.push(std::make_pair(level, message));
        cv_.notify_all();
    }

private:
    void writeLog() {
        while (true) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
            cv_.wait(lock, [this] { return !log_queue_.empty() || exit_; });
            
            while (!log_queue_.empty()) {
                auto log = log_queue_.front();
                log_queue_.pop();
                switch (log.first) {
                    case LogLevel::ERROR:   file_stream_ << "[ERROR] "; break;
                    case LogLevel::WARNING: file_stream_ << "[WARNING] "; break;
                    case LogLevel::INFO:    file_stream_ << "[INFO] "; break;
                    case LogLevel::DEBUG:   file_stream_ << "[DEBUG] "; break;
                }
                file_stream_ << log.second << std::endl;
            }
            if (exit_ && log_queue_.empty()) break;
        }
    }

    std::ofstream file_stream_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
    std::queue<std::pair<LogLevel, std::string>> log_queue_;
    std::thread worker_;
    bool exit_;
};

int main() {
    auto logger = std::make_shared<Logger>("log.txt");
    logger->Log(LogLevel::INFO, "This is an info message");
    logger->Log(LogLevel::ERROR, "This is an error message");
    return 0;
}

在这个版本中，std::condition_variable 用来唤醒工作线程。注意析构函数中的处理逻辑，确保退出前所有缓存的日志都被写入，否则程序崩溃可能导致数据丢失。

第三阶段：生命周期管理与清理

生产环境中，日志文件不能无限增长。我们需要按天切分文件，并定期清理过期日志。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <thread>
#include <condition_variable>
#include <queue>
#include <chrono>
#include <filesystem>
#include <iomanip>

enum class LogLevel { ERROR, WARNING, INFO, DEBUG };

class Logger {
public:
    Logger(const std::string& dir, int days) : exit_(false), dir_(dir), days_(days) {
        worker_ = std::thread(&Logger::writeLog, this);
    }

    ~Logger() {
        exit_ = true;
        cv_.notify_all();
        worker_.join();
    }

    void Log(LogLevel level, const std::string& message) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
        log_queue_.push(std::make_pair(level, message));
        cv_.notify_all();
    }

private:
    void writeLog() {
        while (true) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
            cv_.wait(lock, [this] { return !log_queue_.empty() || exit_; });

            auto now = std::chrono::system_clock::now();
            auto date = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
            std::tm tm;
            localtime_s(&tm, &date);
            
            std::ostringstream oss;
            oss << dir_ << "/" << std::put_time(&tm, "%Y%m%d") << ".log";

            // 检查是否需要切换文件
            if (!file_stream_.is_open() || oss.str() != file_name_) {
                file_stream_.close();
                file_name_ = oss.str();
                file_stream_.open(file_name_, std::ios::out | std::ios::app);
                deleteOldLogs();
            }

            while (!log_queue_.empty()) {
                auto log = log_queue_.front();
                log_queue_.pop();
                switch (log.first) {
                    case LogLevel::ERROR:   file_stream_ << "[ERROR] "; break;
                    case LogLevel::WARNING: file_stream_ << "[WARNING] "; break;
                    case LogLevel::INFO:    file_stream_ << "[INFO] "; break;
                    case LogLevel::DEBUG:   file_stream_ << "[DEBUG] "; break;
                }
                file_stream_ << log.second << std::endl;
            }
            if (exit_ && log_queue_.empty()) break;
        }
    }

    void deleteOldLogs() {
        auto now = std::chrono::system_clock::now();
        auto date = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
        std::tm tm;
        localtime_s(&tm, &date);
        tm.tm_mday -= days_;
        mktime(&tm);
        
        std::ostringstream oss;
        oss << dir_ << "/" << std::put_time(&tm, "%Y%m%d") << ".log";
        std::filesystem::remove(oss.str());
    }

    std::ofstream file_stream_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
    std::queue<std::pair<LogLevel, std::string>> log_queue_;
    std::thread worker_;
    bool exit_;
    std::string dir_;
    std::string file_name_;
    int days_;
};

int main() {
    auto logger = std::make_shared<Logger>("logs", 30);
    logger->Log(LogLevel::INFO, "This is an info message");
    logger->Log(LogLevel::ERROR, "This is an error message");
    return 0;
}

这个版本增加了按日期自动切分文件的功能，并在每天首次写入时清理指定天数前的旧日志。代码使用了 C++17 的 std::filesystem 库。需要注意的是，localtime_s 是 Windows 特有的接口，在 Linux 环境下建议替换为 localtime_r。此外，该清理逻辑假设文件名严格遵循 YYYYMMDD.log 格式，实际项目中可能需要遍历目录进行更精细的筛选。

通过这三个阶段的演进，我们可以看到一个日志系统是如何从简单的文件写入，逐步成长为具备高性能、可维护性的生产级组件的。