C++ Webserver从零开始：代码书写（十）——完成Locker类和Log类封装

前言

这是我们正式开始写代码的第一章，经历了前面那么多的内容，我们终于可以上手写代码了。前面那么多基础知识，如果大家都看了，理解了更好。如果说看的一知半解也不用担心，基础知识是学不完的，而且如果不加以使用，那么你学的基础知识就会非常快的忘掉。只有将学到东西拿来用，才能真正地掌握。

但是基础知识又不能没有，不然写项目的过程中会非常痛苦，你会发现你基本每一行代码都不知道是什么意思，然后再去查回来再写，就非常容易掉进局部的细节里出不来，而无法纵观全局，领会项目的设计思想和代码结构。所以，如果到了这一章的小伙伴，你还完全不了解Webserver的话，我是十分建议你去把前面的内容稍微看一看。当然，如果你有足够的时间，那么我是十分推荐把游双学长的《Linux高性能服务器编程》通读一遍的，读过以后再来写代码就会轻松许多。

好了，话不多说，我们开始今天的内容。

Locker类

写一个项目，很多同学不知道具体从哪开始写起。我目前的经验是，我会进入项目的main函数里，然后一层一层地看它的include的依赖关系，直到找到最里面的那一层，也就是最底层，然后从最底层开始，一个文件一个文件地写。这样的好处是，你整个书写代码地过程会非常清晰，你会知道每一行代码的实现原理。缺点是，你可能会陷入不知道自己在写什么的困境中，也不知道自己写的东西具体起到了一个什么作用。所以，我们可以在整个项目全部写完之后，再来一遍自顶向下的梳理。这样就即明白了每行代码的原理，也了解了整个项目的整体结构。

按照这样的思路，我们来实现一下Locker类，Locker类是最底层的工具类，用以保证其他代码的同步。

Locker类主要使用的API都是include<semaphore.h>里的，这部分的API都在

C++ Webserver从零开始：基础知识（八）——多线程编程-CSDN博客

RAII

RALL:"Resource Acquisition is Initialization",即”资源获取即初始化“

在构造函数中申请分配资源，在析构函数中释放资源。因为C++的语言机制，当一个对象创建时会调用构造函数，当对象超出作用域时会自动调用析构函数。所以在RAII指导下，我们应该用类来管理资源，将资源和对象的生命周期绑定

RAII核心思想是将资源或者状态与对象的生命周期绑定，通过C++的语言机制，实现资源和状态的安全管理，智能指针是RAII最好的例子

代码

/*author:Benxaomin
 *date:20240219
 * */
#ifndef LOCKER_H
#define LOCKER_H

#include<exception>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>

using namespace std;
class sem{
public:
    sem() {
        if (sem_init(&m_sem, 0, 0) != 0) {
            throw exception();
        }
    }
    sem(int val) {
        if (sem_init(&m_sem, 0, val) != 0) {
            throw exception();
        }
    }
    ~sem() {
        sem_destroy(&m_sem);
    }
    bool wait() {
        return sem_wait(&m_sem) == 0;
    }
    bool post() {
        return sem_post(&m_sem) == 0;
    }
private:
    sem_t m_sem;
};

class locker{
public:
    locker() {
        if (pthread_mutex_init(&m_mutex, NULL) != 0) {
            throw exception();
        }
    }
    ~locker() {
        pthread_mutex_destroy(&m_mutex);
    }
    bool lock() {
        return pthread_mutex_lock(&m_mutex) == 0;
    }
    bool unlock() {
        return pthread_mutex_unlock(&m_mutex) == 0;
    }

    /*获得互斥锁的指针*/
    pthread_mutex_t *get() {
        return &m_mutex;
    }

private:
    pthread_mutex_t m_mutex;
};

class cond{
public:
    cond() {
        if (pthread_cond_init(&m_cond, NULL) != 0) {
            throw exception();
        }
    }
    
    ~cond() {
        pthread_cond_destroy(&m_cond);
    }

    bool wait(pthread_mutex_t *m_mutex) {
        return pthread_cond_wait(&m_cond, m_mutex) == 0;
    }

    bool timewait(pthread_mutex_t *m_mutex, struct timespec *m_abstime) {
        return pthread_cond_timedwait(&m_cond, m_mutex, m_abstime) == 0;
    }

    bool signal() {
        return pthread_cond_signal(&m_cond) == 0;
    }

    bool broadcast() {
        return pthread_cond_broadcast(&m_cond) == 0;
    }
private:
    pthread_cond_t m_cond;
};

#endif

LOG类

顾名思义，LOG类就是项目的日志系统。所谓日志，即由服务器自动创建，并记录运行状态，错误信息，访问数据的文件。

日志的实现有两种，一种是同步日志，一种是异步日志；

同步日志：日志写入函数与工作线程串行执行，由于涉及I/O操作，同步日志会阻塞整个处理流程，服务器所能处理的并发能力将有所下降，尤其是在访问峰值时，写日志可能会成为系统的瓶颈

异步日志：将工作线程所写的日志内容先存入阻塞队列，写线程从阻塞队列中取出内容，写入日志

在异步日志中，每个工作线程当有日志需要处理时，将所需写的内容所在内存加入一个阻塞队列，然后就不管了。而日志系统会单独分配一个写线程，不断地从阻塞队列中获得任务并写入日志文件中。

从上面地日志工作流程描述中我们可以发现，这是一个典型的生产者-消费者模型。其中工作线程时生产，写线程是消费者。

那么，生产者-消费者模型的临界区(缓冲区)是什么呢？在我们日志系统中，这个临界区就是一个队列。 在本项目中，我们使用循环队列来实现。

循环队列代码

因为循环队列代码大部分重复且简单，就不分文件编写了

/*
author:Benxaomin
date:20240219
*/

#ifndef BLOCK_QUEUE_H
#define BLOCK_QUEUE_H

#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<sys/time.h>
#include"../lock/locker.h"

using namespace std;

template<class T>
class block_queue{
public:

    /*初始化阻塞队列*/
    block_queue(int max_size) {
        if (max_size <= 0) {
            exit(-1);
        }

        m_max_size = max_size;
        T* m_array = new T[max_size];
        m_size = 0;
        m_front = -1;
        m_back = -1;
    }

    /*删除new出的T数组*/
    ~block_queue() {
        m_mutex.lock();
        if (m_array != NULL) {
            delete []m_array;
        }
        m_mutex.unlock();
    }

    /*清空队列*/
    void clear() {
        m_mutex.lock();
        m_size = 0;
        m_front = -1;
        m_back = -1;
        m_mutex.unlock();
    }

    /*判断队列是否已满*/
    bool full() {
        m_mutex.lock();
        if (m_size >= m_max_size) {
            m_mutex.unlock();
            return true;
        }
        m_mutex.unlock();
        return false;
    }

    /*判断队列是否为空*/
    bool empty() {
        m_mutex.lock();
        if (m_size == 0) {
            m_mutex.unlock();
            return true;
        }
        m_mutex.unlock();
        return false;
    }

    /*获得队首元素*/
    bool front(T &value) {
        m_mutex.lock();
        /*注意下面的if判断不能用empty，因为empty函数也有加锁操作，加两次锁会导致死锁*/
        if (size == 0) {
            m_mutex.unlock();
            return false;
        }
        //TODO:个人感觉这行逻辑出错，后面部分是原代码  value = m_array[m_front];
        value = m_array[(m_front + 1) % m_max_size];
        m_mutex.unlock();
        return true;
    }

    /*获得队尾元素*/
    bool back(T& value) {
        m_mutex.lock();
        if (size == 0) {
            m_mutex.unlock();
            return false;
        }
        value = m_array[m_back];
        m_mutex.unlock();
        return true;
    }

    int size() {
        int tmp = 0;
        m_mutex.lock();
        tmp = m_size;
        m_mutex.unlock();
        return tmp;
    }

    int max_size() {
        int tmp = 0;
        m_mutex.lock();
        tmp = m_max_size;
        m_mutex.unlock();
        return tmp;
    }

    /*往队列中添加元素前需要先将所有使用队列的线程先唤醒*/
    /*阻塞队列封装了生产者消费者模型，调用push的是生产者，也就是工作线程*/
    bool push(T& item) {
        m_mutex.lock();
        if (m_size >= m_max_size) {
            cond.broadcast();
            m_mutex.unlock();
            return false;
        }

        m_back = (m_back + 1) % m_max_size;
        m_array[m_back] = item;
        m_size++;

        cond.broadcast();
        m_mutex.unlock();
        return true;
    }

    /*调用pop的是消费者，负责把生产者的内容写入文件*/
    bool pop(T& item) {
        m_mutex.lock();
        while (m_size <= 0) {
            if (!cond.wait(m_mutex.get())) {
                m_mutex.unlock();
                return false;
            }
        }

        m_front = (m_front + 1) % m_max_size;
        item = m_array[m_front];
        m_size--;
        m_mutex.unlock();
        return true;
    }

    bool pop(T& item,int ms_timeout) {
        struct timespec t = {0,0};//tv_sec ：从1970年1月1日 0点到现在的秒数 tv_nsec:tv_sec后面的纳秒数
        struct timeval now = {0,0};//tv_sec: 从1970年1月1日 0点到现在的秒数 tu_usec:tv_sec后面的微妙数
        gettimeofday(&now,nullptr);
        m_mutex.lock();
        if (m_size <= 0) {
            t.tv_sec = now.tv_sec + ms_timeout/1000;
            t.tv_nsec = (ms_timeout % 1000) * 1000;
            if (!m_cond.timewait(m_mutex.get(), t)) {
                m_mutex.unlock();
                return false;
            }
        }
        //TODO:这一块代码的意义不知道在哪里，留着DEBUG
        if (m_size <= 0) {
            m_mutex.unlock();
            return false;
        }
        m_front = (m_front + 1) % m_max_size;
        item = m_array[m_front];
        m_size--;
        m_mutex.unlock();
        return true;
    }

private:
    locker m_mutex;
    cond m_cond;

    T* m_array;
    int m_max_size;
    int m_size;
    int m_front;
    int m_back;
};

#endif

log

接下来我们可以开始日志代码的书写，解释一下，为了循序渐进地进行代码书写和思考，我不会把整个LOG文件的代码全部放上来，而是分知识点一部分一部分写，这样的话读者读起来会更加清楚，写起来也会有顺序而不是无头苍蝇。但缺点是，写完之后大家要自己把代码整合到一个文件中。为了提供参考，我应该会把整个项目的文件传到github。如果你能感受到我的良苦用心，可以给我点个关注当支持~

单例模式：

单例模式是最常用的设计模式之一，单例模式保证了一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，该实例被所有程序模块共享。

实现思路：

1. 私有化构造函数
2. 使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例
3. 创建一个共有静态方法获取该实例

单例模式也分为两种，一种是懒汉模式：顾名思义，懒汉模式非常懒，当没有人用它的时候它就不初始化，只有被第一次使用时才去初始化；另一种是饿汉模式：与懒汉模式相反，程序运行时就立刻创建实例进行初始化。

经典的懒汉模式一般要使用双检测锁。但C++11之后，可以使用静态局部变量初始化，就不再需要锁，编译器会负责线程安全的问题。（非常建议大家看一看C++11之前的单例模式的代码书写，学习思路）

单例模式代码

#ifndef LOG_H
#define LOG_H

#include<stdio.h>
using namespace std;

class Log{
public:
/*日志单例模式2：创建一个共有静态方法获得实例，并用指针返回*/
static Log *get_instance() {
    static Log instance;//C++11以后懒汉模式无需加锁，编译器会保证局部静态变量的线程安全
    return &instance;
}

private:
/*日志单例模式1：私有化构造函数，确保外界无法创建新实例*/
Log();
~Log();

private:
FILE *m_fp;//打开log的文件指针
long long m_count = 0;//日志行数记录
bool m_is_async;//是否是异步

};
#endif

#include"log.h"
using namespace std;

Log::Log() {
    m_count = 0;
    m_is_async = false;
}

Log::~Log() {
    if (m_fp != NULL) {
        fclose(m_fp);
    }
}

Log初始化

初始化部分代码没有什么很关键的知识点，但是会有一些比较新的API，我就一次性挂出来了，大家自行搜索学习吧，放入文章里太臃肿了。

/*数据类型*/
FILE
time_t
struct tm//结构体
va_list
/*API*/
void* memset(void* ptr, int value, size_t num);
char* strrchr(const char* str, int character);
struct tm* localtime(const time_t* timer);
FILE* fopen(const char* filename, const char* mode);
int snprintf(char* str, size_t size, const char* format, ...);
int vsnprintf(char* str, size_t size, const char* format, va_list args);
void va_start(va_list ap, last_arg);

init()代码

public:
static void *flush_log_thread(void* args) {
        Log::get_instance()->async_write_log();
    }
bool init(const char *file_name, int close_log, int log_buf_size = 8192, int split_lines = 5000000, int max_queue_size = 0);

private:
void* async_write_log() {
        string single_log;
        /*循环从阻塞队列里获取资源*/
        while (m_log_queue->pop(single_log)) {
            m_mutex.lock();
            fputs(single_log.c_str(), m_fp);//将c_str()输出到m_fp指向的文件中
            m_mutex.unlock();
        }
    }
private:
    FILE *m_fp;//打开log的文件指针
    long long m_count = 0;//日志行数记录
    bool m_is_async;//是否是异步

    block_queue<string> *m_log_queue;//阻塞队列
    int m_close_log;//关闭日志
    int m_log_buf_size;//日志缓冲区大小
    char *m_buf;//缓冲区
    int m_split_lines;//日志最大行数
    int m_today;//日志按天分类，记录当前是哪一天

    char log_name[128];//log文件名
    char dir_name[128];//地址名

    locker m_mutex;

bool Log::init(const char *file_name, int close_log, int log_buf_size = 8192, int split_lines = 5000000, int max_queue_size = 0) {
    if (max_queue_size >= 1) {
        m_is_async = true;//异步写入
        m_log_queue = new block_queue<string>(max_queue_size);//创建阻塞队列

        /*创建一个新线程，执行异步写入文件函数*/
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, NULL, flush_log_thread, NULL);
    }

    /*初始化各值*/
    m_close_log = close_log;
    m_split_lines = split_lines;
    m_log_buf_size = log_buf_size;
    m_buf = new char[m_log_buf_size];
    memset(m_buf, '\0', m_log_buf_size);

    /*创建strcut tm变量接收当下时间*/
    time_t t = time(NULL);
    struct tm *sys_tm = localtime(&t);
    struct tm my_tm = *sys_tm;

    /*在filename里面查找'/'，未找到返回 nullptr,找到返回最后一个的位置的指针*/
    const char *p = strrchr(file_name, '/');
    char log_full_name[256] = {0};//创建一个局部缓冲区对文件名命名

    /*下面是命名规则代码：日志文件命名为：年_月_日_文件名*/
    if (p == nullptr) {
        snprintf(log_full_name, 255, "%d_%02d_%02d_%s", my_tm.tm_year + 1900, my_tm.tm_mon + 1, my_tm.tm_mday, file_name);
    } else {
        strcpy(log_name, p + 1);
        strncpy(dir_name, file_name, p - file_name + 1);
        snprintf(log_full_name, 255, "%s%d_%02d_%02d_%s", dir_name, my_tm.tm_year + 1900, my_tm.tm_mon + 1, my_tm.tm_mday, log_name);
    }

    m_today = my_tm.tm_mday;
    
    m_fp = fopen(log_full_name, "a");
    if (m_fp == nullptr) {
        return false;
    }
    return true;
}

write_log()

Log分级：

• Debug，调试代码时的输出，在系统实际运行时，一般不使用。
• Warn，这种警告与调试时终端的warning类似，同样是调试代码时使用。
• Info，报告系统当前的状态，当前执行的流程或接收的信息等。
• Erro，输出系统的错误信息

Log分文件：

当新的一天时创建新文件

当原文件日志写满时创建新文件

write_log()代码

public:
void flush(void) {
        m_mutex.lock();
        fflush(m_fp);
        m_mutex.unlock();
    }
void write_log(int level, const char *format, ...);

//类外：
#define LOG_DEBUG(format, ...) if(0 == m_close_log) {Log::get_instance()->write_log(0, format, ##__VA_ARGS__); Log::get_instance()->flush();}
#define LOG_INFO(format, ...) if(0 == m_close_log) {Log::get_instance()->write_log(1, format, ##__VA_ARGS__); Log::get_instance()->flush();}
#define LOG_WARN(format, ...) if(0 == m_close_log) {Log::get_instance()->write_log(2, format, ##__VA_ARGS__); Log::get_instance()->flush();}
#define LOG_ERROR(format, ...) if(0 == m_close_log) {Log::get_instance()->write_log(3, format, ##__VA_ARGS__); Log::get_instance()->flush();}

void Log::write_log(int level, const char* format, ...) {
    struct timeval now = {0,0};
    gettimeofday(&now, NULL);
    time_t t = now.tv_sec;
    struct tm *sys_tm = localtime(&t);
    struct tm my_tm = *sys_tm;

    char s[16] = {0};
    switch (level)
    {
    case 0:
        strcpy(s,"[debug]");
        break;
    case 1:
        strcpy(s,"[info]");
        break;
    case 2:
        strcpy(s,"[warn]");
        break;
    case 3:
        strcpy(s,"[error]");
        break;
    default:
        strcpy(s,"[info]");
        break;
    }

    /*开始写入*/
    m_mutex.lock();
    m_count++;
    /*如果是新的一天了，或者日志行数到上限了，创建新日志*/
    if (m_today != my_tm.tm_mday || m_count % m_split_lines == 0) {

        char new_log[256] = {0};
        flush();
        fclose(m_fp);
        char tail[16] = {0};

        snprintf(tail, 16,"%d_%02d_%02d_", my_tm.tm_year + 1900, my_tm.tm_mon + 1, my_tm.tm_mday);

        
        if (m_today != my_tm.tm_mday) {//新的一天
            snprintf(new_log, 255, "%s%s%s", dir_name, tail, log_name);
            m_today = my_tm.tm_mday;
            m_count = 0;
        } else {//日志写满了
            snprintf(new_log, 255, "%s%s%s.%lld", dir_name, tail, log_name, m_count / m_split_lines);
        }
        m_fp = fopen(new_log, "a");
    }
    m_mutex.unlock();

    /*可变参数定义初始化，在vsprintf时使用，作用：输入具体的日志内容*/
    va_list valst;
    va_start(valst, format);

    string log_str;
    m_mutex.lock();
    /*写每一行的开头格式*/
    int n = snprintf(m_buf, 48, "%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%06ld %s ",
                     my_tm.tm_year + 1900, my_tm.tm_mon + 1, my_tm.tm_mday,
                     my_tm.tm_hour, my_tm.tm_min, my_tm.tm_sec, now.tv_usec, s);
    int m = vsnprintf(m_buf + n, m_log_buf_size - n - 1, format, valst);
    /*加入换行和空格*/
    m_buf[n + m] = '\n';
    m_buf[n + m + 1] = '\0';
    log_str = m_buf;
    m_mutex.unlock();

    /*决定是异步写还是同步写*/
    if (m_is_async && !m_log_queue->full()) {
        m_log_queue->push(log_str);
    } else {
        m_mutex.lock();
        fputs(log_str.c_str(), m_fp);
        m_mutex.unlock();
    }
    va_end(valst);
}