编程开发(一):日志框架

栏目: IT技术 · 发布时间: 6年前

日志实现框架

Log4j

Log4j 是目前最为流行的 Java日志框架 之一, 1999年 发布首个版本, 2012年 发布最后一个版本, 2015年 正式宣布终止,官方也已不建议使用,并逐步被 Logback 和 Log4j2 等日志框架所替代,可是无法掩饰光辉历程,以及优良的设计理念。尽管 Log4j 有着出色的历史战绩,但早已不是 Java 日志框架的最优选择,还在使用该日志框架的项目往往是历史遗留问题。

Log4j API 核心类:

  • 日志对象: org.apache.log4j.Logger
  • 日志级别: org.apache.log4j.Level
  • 日志管理器: org.apache.log4j.LogManager
  • 日志仓储: org.apache.log4j.spi.LoggerRepository
  • 日志附加器: org.apache.log4j.Appender
  • 日志过滤器: org.apache.log4j.spi.Filter
  • 日志格式布局: org.apache.log4j.Layout
  • 日志事件: org.apache.log4j.LoggingEvent
  • 日志配置器: org.apache.log4j.spi.Configurator
  • 日志诊断上下文: org.apache.log4j.NDC 、 org.apache.log4j.MDC

JUL

Java Logging 是 Java 标准的日志框架,也称为 Java Logging API ,即 JSR 47 。从 Java 1.4 版本开始, Java Logging 成为 Java SE 的功能模块,其实现类存放在 java.util.logging 包下。

使用 Java Logging 最大好处是它属于 JDK内置 ,不需要添加额外依赖,默认配置文件位于: jre/lib/logging.properties ,具体可以查看 LogManager 类 readConfiguration 方法,启动的时候可以通过设置 VM 参数 java.util.logging.config.file 指定配置文件。

Java Logging API 核心类:

  • 日志对象: java.util.logging.Logger
  • 日志级别: java.util.logging.Level
  • 日志管理器: java.util.logging.LogManager
  • 日志处理器: java.util.logging.Handler
  • 日志过滤器: java.util.logging.Filter
  • 日志格式器: java.util.logging.Formatter
  • 日志记录: java.util.logging.LogRecord
  • 日志权限: java.util.logging.LoggingPermission
  • 日志JMX接口: java.util.logging.LoggingMXBean

Logback

Logback 是 Log4j 创始人设计的又一个开源日志框架,可以看成 Log4j 的替代者,在架构和特征上有着相当提升。 Logback 当前分成三个模块:

  • logback-core :其它两个模块的基础模块,提供一些关键的通用机制
  • logback-classic
    Log4j
    Log4j
    SLF4J API
    
  • logback-access
    logback-access
    Tomcat
    Jetty
    Servlet容器
    Http
    access日志
    

编程开发(一):日志框架

Logback 核心类:

  • 日志对象: ch.qos.logback.classic.Logger
  • 日志级别: ch.qos.logback.classic.Level
  • 日志管理器: ch.qos.logback.classic.LoggerContext
  • 日志附加器: ch.qos.logback.core.Appender
  • 日志过滤器: ch.qos.logback.core.filter.Filter
  • 日志格式布局: ch.qos.logback.core.Layout
  • 日志事件: ch.qos.logback.classic.spi.LoggingEvent
  • 日志配置器: ch.qos.logback.classic.spi.Configurator

核心架构

编程开发(一):日志框架

上图是 logback 日志框架的输出日志的核心流程:

  • Logger 作为日志框架的代言人,程序开发通过 Logger 即可完成日志输出工作;
  • Logger
    Filter
    Level
    LoggingEvent
    Appender
    
  • Appender
    Appender
    Filter
    

Logger 和 Appender 是日志框架比较核心组件, Logger 代表日志输入源,其配置样例见下:

编程开发(一):日志框架

Appender 代表日志输出源,其配置样例见下:

编程开发(一):日志框架

Logger 和 Appender 相互独立,都可以实现对日志过滤操作,同时可以实现多对多映射关系,在开发中可以对这些特性灵活应用。比如:生产中一个很常见的做法就是构建一个 Level=Error 的 Appender ,然后让所有的 Logger 都指向该 Appender 就可以实现汇聚系统中所有 Error 级别的日志,可以快速监测系统运行是否出现异常状况。

Appender

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<appender> 节点被配置时,必须配置两个属性 name 和 class 。 name 指定 Appender 的名称,而 class 指定 Appender 具体的实现类。

Appender核心类结构图:

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UnsynchronizedAppenderBase :非线程安全的Appender基类,即 public void doAppend(E eventObject) 没有使用 synchronized 关键字,而 AppenderBase 类中的 doAppend() 方法都使用了 synchronized 关键字: public synchronized void doAppend(E eventObject) 。

Level

日志可以分配级别,包括: ALL 、 TRACE 、 DEBUG 、 INFO 、 WARN 、 ERROR 、 OFF ,其中 ALL 和 OFF 日志级别是用于 Appender 或 Logger 过滤使用。

  • TRACE(追踪) :输出更细致的程序运行轨迹;
  • DEBUG(调试) :这个级别一般记录一些运行中的中间参数信息,只允许在开发环境开启,选择性在测试环境开启;
  • INFO(信息) :用来记录程序运行中的一些有用的信息,例如:程序运行开始、结束、耗时、重要参数等信息,需要注意有选择性的有意义的输出,到时候自己找问题看一堆日志却找不到关键日志就没有意义了;
  • WARN(警告) :一般用来记录一些用户输入参数错误;
  • ERROR(错误) :一般用来记录程序中发生的任何异常错误信息( Throwable ),或者是记录业务逻辑错误;

Logger

通过 LoggerFactory 获取 Logger : Logger getLogger(String name) , LoggerFactory 采用工厂设计模式,内部维护一个 Map 缓存所有生成的 Logger 实例信息: Map<String, Logger> loggerCache = new ConcurrentHashMap() 。

继承规则

Logger 是有层次关系的,我们可一般性的理解为包名之间的父子继承关系。每个 Logger 通常以 class全限名称 为其名称。子 Logger 通常会从父 Logger 继承 Logger级别 、 Appender 等信息。

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统一日志API

日志框架无论 Log4j 还是 Logback ,虽然它们功能完备,但是各自 API 相互独立,并且各自为政。当应用系统在团队协作开发时,由于工程师人员可能有所偏好,因此,可能导致一套系统同时出现多套日志框架情况。

其次,最流行的日志框架基本上基于实现类编程,而非接口编程,因此,暴露一些无关紧要的细节给用户,这种耦合性是没有必要的。

诸如此类的原因,开源社区提供 统一日志API 框架,最为流行的是:

  • apache commons-logging
    JCL
    log4j
    java logging
    
  • slf4j
    log4j
    log4j2
    java logging
    logback
    

统一日志 API ,即日志门面接口层,直白点讲:提供了操作日志的接口,而具体实现交由 Logback 、 Log4j 等日志实现框架,这样就可以实现程序与具体日志框架间的解耦,对于底层日志框架的改变,并不影响到上层的业务代码,可以灵活切换日志框架。

日志体系

现在日志框架众多: slf4j 、 jcl 、 jul 、 log4j 、 log4j2 、 logback 等,它们之间存在什么样的关系,我们在开发过程中又如何选取这些日志框架呢?

首先,看下 Java 日志体系:

编程开发(一):日志框架

通过上图可以概括日志体系大致分为三层:日志接口门面层、绑定/桥接层以及日志实现层。

jcl-over-slf4j.jar(jcl -> slf4j):将commons-logging日志桥接到slf4j
jul-to-slf4j.jar(jul -> slf4j):java.util.logging的日志桥接到slf4j

log4j-over-slf4j.jar(log4j -> slf4j):将log4j的日志,桥接到slf4j
slf4j-log4j12.jar(slf4j -> log4j):slf4j绑定到log4j,所以这个包不能和log4j-over-slf4j.jar不能同时使用,会出现死循环

slf4j-jcl.jar(slf4j -> jcl):slf4j绑定到commons-logging日志框架上
slf4j-jdk14.jar(slf4j -> jul):slf4j绑定到jdk日志框架上,不能喝jul-to-slf4j.jar同时使用,会出现死循环

slf4j-nop.jar:slf4j的空接口输出绑定,丢弃所有日志输出
slf4j-simple.jar:slf4j自带的简单日志输出接口
log4j-slf4j-impl.jar(slf4j -> log4j2):将slf4j绑定到log4j2日志框架上,不能和log4j-to-slf4j同时使用
log4j-to-slf4j.jar(log4j2 -> slf4j):将log4j2日志桥接到slf4j上,不能和log4j-slf4j-impl同时使用

最为熟悉和使用率较高的 log4j 其实就位于日志实现层,即其为一种日志实现框架。既然 log4j 已经足够系统使用进行日志输出了,为啥还多此一举弄个 日志接口门面层 和 绑定/桥接层 ?看下图:

编程开发(一):日志框架

系统A 集成了 模块A 、 模块B 、 模块C 三个模块,但是这三个模块使用了不同的日志实现框架,现在 系统A 相当于同时存在了三个日志框架,那如何进行配置呢?每个框架都构建一个配置文件这种肯定是不行的,没法进行统一管理,日志较为混乱。

现在看下如何解决上述问题:

编程开发(一):日志框架

模块A 、 模块B 、 模块C 采用 slf4j 日志接口框架,而非具体日志实现类,具体使用哪种日志实现框架是由 系统A 配置决定的, 系统A 把 slf4j 绑定到 logback ,则统一采用 logback 日志框架, slf4j 绑定到 log4j 则统一采用 log4j 日志框架。 日志接口 --> 日志绑定 --> 日志实现 ,日志接口和日志实现进行了解耦,模块只关注接口不关注实现,具体采用哪种实现是由其所在的系统环境决定,这样就可以实现日志的统一配置和管理。

对于上述解决方案,如果 模块A 、 模块B 、 模块C 是新开发统一采用 slf4j 日志接口框架没问题,但是对于旧系统,比如 模块B 、 模块C 都是很久之前开发的模块,分别采用了不同的日志实现框架,见下图:

编程开发(一):日志框架

如果 系统A 把 slf4j 绑定到 logback 日志框架上,但是 模块B 、 模块C 由于没有采用 slf4j ,绑定对于它们来说是无效的,这时候就要使用 桥接 。

编程开发(一):日志框架

桥接的大致结构如上图,通过桥接把 log4j 、 jdk log 等日志实现框架桥接到 slf4j 上,由于 slf4j 又被绑定到了 logback 上,则 模块B 和 模块C 最终会被 logback 纳管,而不是 log4j 和 jdk log ,同样可以实现日志统一配置管理。

以上就是项目开发中经常遇到的问题,以及绑定和桥接之间的区别。

spring 体系中日志框架

Spring框架

Spring Framework 4.X 及之前的版本,都是使用的 标准版JCL 日志框架,该依赖由 spring-core 间接引入。 Spring 框架的日志信息都是使用 JCL 标准接口来进行输出。下面说下项目中常碰到的三种情况:

  • log4j
    commons-logging
    log4j
    jcl
    log4j
    
  • log4j2
    commons-logging
    log4j2
    log4j2
    jcl
    log4j2
    log4j-jcl.jar
    
  • slf4j
    桥接模式
    jcl日志
    SLF4J
    jcl-over-slf4j.jar
    Spring框架
    

使用 spring 4.X 及之前版本的框架时一定要注意上面情况,否则很容易出现业务日志输出正常,但是 spring 框架本身日志没有输出的情况,导致一些错误无法察觉或者不利于排查。

spring5.0 带来了 commons-logging 桥接模块的封装,它被叫做 spring-jcl 而不是标准版 jcl ,无需添加额外依赖包,可自动检测绑定到 Log4j2 、 SLF4J 。

SpringBoot框架

springboot-1.X - springboot-2.X :

编程开发(一):日志框架

从 SpringBoot 框架可以看出,默认采用 SLF4J+Logback 组合的日志框架,通过 桥接模式 将其它日志框架桥接到 SLF4J 上。

SLF4J

SLF4J(Simple Logging Facade For Java) 是一个为 Java 程序提供日志输出的统一接口,并不是一个具体的日志实现方案,就像我们经常使用的 JDBC 一样,只是了一些标准规范接口。因此,单独的 SLF4J 是不能工作的,它必须搭配其他具体的日志实现方案。

SLF4J 和 Logback 是同一个作者开发的,所以 Logback 天然与 SLF4J 适配,不需要引入额外适配库。

这里还有个比较有意思的事情, SLF4J 项目提供了很多适配库、桥接库,唯独没有提供对 Log4j2 的适配库和桥接库,不过 Apache Logging 项目组自己开发了: log4j-slf4j-impl 和 log4j-to-slf4j 。

JCL

Jakarta commons-logging 简称 JCL ,是 apache 提供的一个通用日志门面接口,最后版本更新停留在 2014年 ,且默认只能提供对 Log4j 、 Java Logging 进行适配。

JCL 已慢慢淡出人们的视线,一些历史遗留项目也开始慢慢由 JCL 转向 SLF4J ,如: Spring 5.0 开始没有再依赖原生的 JCL 框架, SpringBoot 默认采用 SLF4J+Logback 。 SLF4J 已经成为了 Java日志组件 的明星选手,可以完美替代 JCL ,使用 JCL 桥接库也能完美兼容一切使用 JCL 作为日志门面的类库,现在的新系统已经没有不使用 SLF4J 作为 统一日志API接口层 的理由了。

核心原理

SLF4J 和 JCL 对比,二者最大区别在于它们的绑定机制的不同,这也决定了为什么 JCL 会被慢慢的淘汰掉的根本原因。

SLF4J绑定原理

1、 slf4j 定义好两个接口规范:

public interface LoggerFactoryBinder {
//获取一个ILoggerFactory实现类,采用工厂 设计模式 创建Logger
public ILoggerFactory getLoggerFactory();
public String getLoggerFactoryClassStr();
}
public interface ILoggerFactory {
public Logger getLogger(String name);
}

第一个接口 LoggerFactoryBinder 定义绑定类,如果日志框架需要和 slf4j 进行绑定,就要提供一个该接口实现类,并且名称是 StaticLoggerBinder ,这样,在 slf4j 模块中,使用 StaticLoggerBinder.getSingleton(); 就可以获取到这个绑定类,进而通过 StaticLoggerBinder 绑定类的 getLoggerFactory() 获取到 Logger 生产工厂 ILoggerFactory 。

注意:这里的绑定机制利用到了类加载原理,如果存在多个绑定类 StaticLoggerBinder ,根据类路径的前后顺序,只有有一个会被加载进来,这个加载进来的就实现了绑定。

2、 ILoggerFactory 也是 slf4j 模块提供的一个接口,因为各个日志框架中 LoggerFactory 不统一,所以 slf4j 提供一个接口,让各个日志框架把自己的 LoggerFactory 包装成 ILoggerFactory 接口,这样 slf4j 模块下就可以统一使用。这里利用到的是设计模式中的:适配模式。系统间对接比较常用的一种设计模式,系统间接口不统一,通过适配模式实现一致。

3、可以看下, slf4j 和 log4j 绑定使用 slf4j-log4j12.jar ,这个模块下 StaticLoggerBinder 实现见下:

public class StaticLoggerBinder implements LoggerFactoryBinder {

private static final StaticLoggerBinder SINGLETON = new StaticLoggerBinder();

public static final StaticLoggerBinder getSingleton() {
return SINGLETON;
}

public static String REQUESTED_API_VERSION = "1.6.99";

private static final String loggerFactoryClassStr = Log4jLoggerFactory.class.getName();

private final ILoggerFactory loggerFactory;

private StaticLoggerBinder() {
loggerFactory = new Log4jLoggerFactory();
try {
@SuppressWarnings("unused")
Level level = Level.TRACE;
} catch (NoSuchFieldError nsfe) {
Util.report("This version of SLF4J requires log4j version 1.2.12 or later. See also http://www.slf4j.org/codes.html#log4j_version");
}
}

public ILoggerFactory getLoggerFactory() {
return loggerFactory;
}

public String getLoggerFactoryClassStr() {
return loggerFactoryClassStr;
}
}

4、 StaticLoggerBinder :静态绑定,这个静态是相对于 JCL 所使用的动态绑定来说的,为什么说是静态的呢?因为你如果要绑定,需要在环境中添加绑定相关的jar,这样slf4j就可以加载到绑定包中的 StaticLoggerBinder 类实现绑定。

接口和实现类之间采用一种松耦合的设计,有利于灵活的扩展,但是在使用时有需要一种技术把它们关联起来,这是软件设计中比较常用到的设计思想, JDK 1.6 对此专门提供了一种技术: SPI 。 SLF4J 从 1.8版本 起,也开始使用 SPI 方式实现绑定,而不再采用通过寻找指定类 StaticLoggerBinder 的方式进行绑定。下面代码就是 slf4j-1.8 中使用 SPI 进行绑定核心代码:

private static List<SLF4JServiceProvider> findServiceProviders() {
ServiceLoader<SLF4JServiceProvider> serviceLoader = ServiceLoader.load(SLF4JServiceProvider.class);
List<SLF4JServiceProvider> providerList = new ArrayList<SLF4JServiceProvider>();
for (SLF4JServiceProvider provider : serviceLoader) {
providerList.add(provider);
}
return providerList;
}

SLF4JServiceProvider 就是类似于上面的 LoggerFactoryBinder 接口,通过它可以获取到 ILoggerFactory ,这样其它日志框架和 slf4j 进行集成时只需要提供一个 SLF4JServiceProvider 接口的实现类即可,不再要求必须是像之前固定名称必须是: StaticLoggerBinder ,固定名称带来的一个问题是包路径也要一致,无形中存在侵入性,而使用 SPI 方式更加的灵活。比如我们常用到的 JDBC 也使用到 SPI ,感兴趣的可以多了解下,对系统设计还是比较实用的一种技术。

JCL绑定原理

JCL 采用动态绑定机制,缺点是容易引发混乱,在一个复杂甚至混乱的依赖环境下,确定当前正在生效的日志服务是很费力的,特别是在程序开发和设计人员并不理解 JCL 的机制时。

JCL 动态绑定的核心逻辑位于 LogFactoryImpl 类的 discoverLogImplementation 方法中如下代码块:

for(int i=0; i<classesToDiscover.length && result == null; ++i) {
/**
createLogFromClass()核心逻辑:通过Class.forName()加载适配器的类模板,
然后调用Constructor.newInstance()构建适配器类实例
*/

result = createLogFromClass(classesToDiscover[i], logCategory, true);
}

其中 classesToDiscover 数组的中定义了可以使用的适配器类,见下:

String[] classesToDiscover = {
"org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger",
"org.apache.commons.logging.impl.Jdk14Logger",
"org.apache.commons.logging.impl.Jdk13LumberjackLogger",
"org.apache.commons.logging.impl.SimpleLog"
};

简单来说: JCL 模块中会有判断,当前项目中是否存在 Log4j 的 API ,如果有就直接和 Log4j 进行绑定;如果没有,则继续向下查找,是否存在 JDK Log 相关 API ,如果有就绑定;如果 JDK Log 也没有,则提供一个 SimpleLog 默认实现,该实现什么也不做,输出的日志直接会被丢弃,什么也看不到。

总结

相较于 JCL 的 动态绑定机制 , SLF4J 则简单得多,采用 静态绑定机制 ,可能你还没有很好理解这两者的本质区别,看下图:

编程开发(一):日志框架

JCL 框架自动检查当前环境中是否存在相关日志 API ,如果有就绑定,注意它内部有个固定的绑定顺序,这种所谓的动态绑定很容易出现问题,特别是系统较大可能会存在很多日志框架,就会出现混乱,不够灵活,这就导致了为啥 JCL 已经被慢慢淘汰掉。

而 slf4j 采用的静态绑定,不是直接和日志框架进行绑定,而是中间多了一个环节:绑定类,它就像一个开关一样,关键是可以进行控制,比如想和 log4j2 进行绑定,就添加 log4j-slf4j-impl.jar ,开关就会打开进行绑定。 slf4j 不管是采用 StaticLoggerBinder 还是后面采用的 SPI ,始终有个绑定类控制绑定关系。

总结

对 Java 日志组件选型的建议

  • API
    SLF4J
    slf4j-api
    logback-classic
    
  • 日志实现框架选型:如果最求高并发、高性能、日志量特别大的项目,可以采用 Log4j2 ,否则都采用 Logback
  • SpringBoot
    2.0
    logback+slf4j
    

再一个就是对 slf4j 和 jcl 两种日志框架绑定机制的分析,学习了接口和实现类松耦合关系最后又是如何在运行时进行绑定,或许可以为我们以后的系统设计提供些思路,从而构建出更加灵活的、可扩展的应用。

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