Java如何實作日誌快取機制

Java 日誌機制的介紹

Level：JDK 中定義了Off、Severe、Warning、Info、Config、Fine、Finer、Finest、All  九個日誌級別，定義Off為日誌***等級，All  為***等級。每條日誌必須對應一個等級。等級的定義主要用來對日誌的嚴重程度進行分類，同時可以用來控制日誌是否輸出。

LogRecord：每個日誌會被記錄為一條 LogRecord, 其中儲存了類別名稱、方法名稱、執行緒 ID、列印的訊息等等一些資訊。

Logger：日誌結構的基本單元。 Logger 是以樹狀結構儲存在記憶體中的，根節點為 root。 com.test（如果存在）一定是  com.test.demo（如果存在）的父節點，即前綴匹配的已存在的 logger 一定是這個 logger  的父節點。這種父子關係的定義，可以為使用者提供更自由的控製粒度。因為子節點中如果沒有定義處理規則，如層級 handler、formatter  等，那麼預設就會使用父節點中的這些處理規則。

Handler：用來處理 LogRecord，預設 Handler 是可以連接成一個鏈狀，依序對 LogRecord 進行處理。

Filter：日誌過濾器。在 JDK 中，沒有實作。

Formatter：它主要用來定義一個 LogRecord 的輸出格式。

圖 1. Java 日誌處理流程

#圖 1 展示了一個 LogRecord 的處理流程。一個日誌進入處理流程首先是 Logger，其中定義了可通過的 Level，如果  LogRecord 的 Level 高於Logger 的等級，則進入 Filter（如果有）過濾。如果沒有定義 Level，則使用父親  Logger 的 Level。 Handler 中過程類似，其中 Handler 也定義了可通過 Level，然後進行 Filter  過濾，透過如果後面還有其他 Handler，則直接交由後面的 Handler 進行處理，否則會直接綁定到 formatter  上面輸出到指定位置。

在實作日誌快取之前，先對 Filter 和 Formatter 兩個輔助類別進行介紹。

Filter

Filter 是一個接口，主要是對 LogRecord 進行過濾，控制是否對 LogRecord 進行進一步處理，其可以綁定在 Logger 下或 Handler 下。

只要在boolean isLoggable（LogRecord）方法中加上過濾邏輯就可以實現對logrecord  進行控制，如果只想對發生了Exception 的那些log 記錄進行記錄，那麼可以透過清單1 來實現，當然首先需要將該Filter  透過呼叫setFilter（Filter）方法或設定檔方式綁定到對應的Logger 或Handler。

清單1. 一個Filter 實例的實作

Override  public boolean isLoggable(LogRecord record){  if(record.getThrown()!=null){         return true;  }else{          return false;   }  }

Formatter

Formatter 主要是對Handler 在輸出log 記錄的格式進行控制，例如輸出日期的格式，輸出為HTML 還是XML  格式，文字參數替換等。 Formatter 可以綁定到Handler 上，Handler 會自動呼叫Formatter 的String  format（LogRecord r） 方法對日誌記錄進行格式化，該方法具有預設的實現，如果想實現自訂格式可以繼承Formater  類別並重寫該方法，預設情況下例如清單2 在經過Formatter 格式化後，會將{0} 和{1} 替換成對應的參數。

清單2. 記錄一筆log

logger.log(Level.WARNING,"this log is for test1: {0} and test2:{1}",     new Object[]{newTest1(),     new Test2()});

MemoryHandler

MemoryHandler 是Java Logging 中兩大類別Handler 之一，另一類是 StreamHandler，二者直接繼承於Handler，代表了兩種不同的設計想法。 Java Logging Handler  是抽象類別，需要根據使用場景創建特定 Handler，實現各自的 publish、flush 以及 close 等方法。

MemoryHandler 使用了典型的「註冊 – 通知」的觀察者模式。 MemoryHandler 先註冊到對自己感興趣的Logger  中（logger.addHandler(handler)），在這些Logger 呼叫發布日誌的 API：log()、logp()、logrb() 等，遍歷這些Logger 呼叫發布日誌的 API：log()、logp()、logrb() 等，遍歷這些Logger 下綁定的所有Handlers 時，通知觸發自身 publish（LogRecord）方法的調用，將日誌寫入buffer，當轉儲到下一個日誌發布平台的條件成立，轉儲日誌並清空buffer。

這裡的 buffer 是 MemoryHandler 本身維護一個可自訂大小的循環緩衝佇列，來保存所有執行時間觸發的 Exception  日誌條目。同時在建構函式中要求指定一個Target Handler，用於承接輸出；在滿足特定flush buffer  的條件下，如日誌條目等級高於MemoryHandler 設定的push level 等級（實例中定義為 SEVERE）等，將日誌移交至下一步輸出平台。從而形成如下日誌轉儲輸出鏈：

圖 2. Log 轉儲鏈

在实例中，通过对 MemoryHandler 配置项 .push 的 Level 进行判断，决定是否将日志推向下一个 Handler，通常在 publish() 方法内实现。代码清单如下：

清单 3

// 只纪录有异常并且高于 pushLevel 的 logRecord     final Level level = record.getLevel();            final Throwable thrown = record.getThrown();     If(level >= pushLevel){        push();     }

MemoryHandler.push 方法的触发条件

Push 方法会导致 MemoryHandler 转储日志到下一 handler，清空 buffer。触发条件可以是但不局限于以下几种，实例中使用的是默认的***种：

• 日志条目的 Level 大于或等于当前 MemoryHandler 中默认定义或用户配置的 pushLevel；

• 外部程序调用 MemoryHandler 的 push 方法；

• MemoryHandler 子类可以重载 log 方法或自定义触发方法，在方法中逐一扫描日志条目，满足自定义规则则触发转储日志和清空 buffer 的操作。MemoryHanadler 的可配置属性

表 1.MemoryHandler 可配置属性

属性名	描述	缺省值
继承属性	MemoryHandler.level	MemoryHandler 接受的输入到 buffer 的日志等级	Level.INFO
	MemoryHandler.filter	在输入到 buffer 之前，可在 filter 中自定义除日志等级外的其他过滤条件	(Undefined)
	MemoryHandler.formatter	指定输入至 buffer 的日志格式	(Undefined)
	MemoryHandler.encoding	指定输入至 buffer 的日志编码，在 MemoryHandler 中应用甚少	(Undefined)
私有属性	MemoryHandler.size	以日志条目为单位定义循环 buffer 的大小	1,000
	MemoryHandler.push	定义将 buffer 中的日志条目发送至下一个 Handler 的*** Level（包含）	Level.SEVERE
	MemoryHandler.target	在构造函数中指定下一步承接日志的 Handler	(Undefined)

使用方式：

以上是记录产品 Exception 错误日志，以及如何转储的 MemoryHandler 处理的内部细节；接下来给出 MemoryHandler 的一些使用方式。

1. 直接使用 java.util.logging 中的 MemoryHandler

清单4

// 在 buffer 中维护 5 条日志信息 // 仅记录 Level 大于等于 Warning 的日志条目并 // 刷新 buffer 中的日志条目到 fileHandler 中处理          int bufferSize = 5;          f = new FileHandler("testMemoryHandler.log");          m = new MemoryHandler(f, bufferSize, Level.WARNING);          …          myLogger = Logger.getLogger("com.ibm.test");          myLogger.addHandler(m);          myLogger.log(Level.WARNING, “this is a WARNING log”);

. 自定义

1）反射

思考自定义 MyHandler 继承自 MemoryHandler 的场景，由于无法直接使用作为父类私有属性的 size、buffer 及  buffer 中的 cursor，如果在 MyHandler 中有获取和改变这些属性的需求，一个途径是使用反射。清单 5  展示了使用反射读取用户配置并设置私有属性。

清单5

int m_size;   String sizeString = manager.getProperty(loggerName + ".size");   if (null != sizeString) {          try {           m_size = Integer.parseInt(sizeString);           if (m_size <p><strong>2）重写</strong></p><p>直接使用反射方便快捷，适用于对父类私有属性无频繁访问的场景。思考这样一种场景，默认环形队列无法满足我们存储需求，此时不妨令自定义的 MyMemoryHandler 直接继承 Handler，直接对存储结构进行操作，可以通过清单 6 实现。</p><p><strong>清单 6</strong></p><pre class="brush:php;toolbar:false">public class MyMemoryHandler extends Handler{   // 默认存储 LogRecord 的缓冲区容量   private static final int DEFAULT_SIZE = 1000;   // 设置缓冲区大小   private int size = DEFAULT_SIZE;   // 设置缓冲区   private LogRecord[] buffer;   // 参考 java.util.logging.MemoryHandler 实现其它部分   ...  }

使用 MemoryHandler 时需关注的几个问题

了解了使用 MemoryHandler 实现的 Java  日志缓冲机制的内部细节和外部应用之后，来着眼于两处具体实现过程中遇到的问题：Logger/Handler/LogRecord Level  的传递影响，以及如何在开发 MemoryHandler 过程中处理错误日志。

1. Level 的传递影响

Java.util.logging 中有三种类型的 Level，分别是 Logger 的 Level，Handler 的 Level 和  LogRecord 的 Level. 前两者可以通过配置文件设置。之后将日志的 Level 分别与 Logger 和 Handler 的  Level 进行比较，过滤无须记录的日志。在使用 Java Log 时需关注 Level 之间相互影响的问题，尤其在遍历 Logger  绑定了多个 Handlers 时。如图 3 所示：

图 3. Java Log 中 Level 的传递影响

Java.util.logging.Logger 提供的 setUseParentHandlers  方法，也可能会影响到最终输出终端的日志显示。这个方法允许用户将自身的日志条目打印一份到 Parent Logger 的输出终端中。缺省会打印到  Parent Logger 终端。此时，如果 Parent Logger Level 相关的设置与自身 Logger 不同，则打印到  Parent Logger 和自身中的日志条目也会有所不同。如图 4 所示：

图 4. 子类日志需打印到父类输出终端

2. 开发 log 接口过程中处理错误日志

在开发 log 相关接口中调用自身接口打印 log，可能会陷入无限循环。Java.util.logging 中考虑到这类问题，提供了一个  ErrorManager 接口，供 Handler 在记录日志期间报告任何错误，而非直接抛出异常或调用自身的 log  相关接口记录错误或异常。Handler 需实现 setErrorManager() 方法，该方法为此应用程序构造  java.util.logging.ErrorManager 对象，并在错误发生时，通过 reportError 方法调用  ErrorManager 的 error 方法，缺省将错误输出到标准错误流，或依据 Handler 中自定义的实现处理错误流。关闭错误流时，使用  Logger.removeHandler 移除此 Handler 实例。

两种经典使用场景，一种是自定义 MyErrorManager，实现父类相关接口，在记录日志的程序中调用  MyHandler.setErrorManager(new MyEroorManager()); 另一种是在 Handler 中自定义  ErrorManager 相关方法，示例如清单 7：

清单 7

public class MyHandler extends Handler{ // 在构造方法中实现 setErrorManager 方法 public MyHandler(){    ......     setErrorManager (new ErrorManager() {         public void  error (String msg, Exception ex, int code) {             System.err.println("Error reported by MyHandler "                              + msg + ex.getMessage());         }     }); } public void publish(LogRecord record){     if (!isLoggable(record)) return;     try {         // 一些可能会抛出异常的操作     } catch(Exception e) {         reportError ("Error occurs in publish ", e, ErrorManager.WRITE_FAILURE);     } } ...... }

logging.properties

logging.properties 文件是 Java 日志的配置文件，每一行以“key=value”的形式描述，可以配置日志的全局信息和特定日志配置信息，清单 8 是我们为测试代码配置的 logging.properties。

清单 8. logging.properties 文件示例

#Level 等级 OFF > SEVERE > WARNING > INFO > CONFIG > FINE > FINER > FINEST > ALL # 为 FileHandler 指定日志级别 java.util.logging.FileHandler.level=WARNING # 为 FileHandler 指定 formatter java.util.logging.FileHandler.formatter=java.util.logging.SimpleFormatter # 为自定义的 TestMemoryHandler 指定日志级别 com.ibm.test.MemoryHandler.level=INFO # 设置 TestMemoryHandler 最多记录日志条数 com.ibm.test.TestMemoryHandler.size=1000 # 设置 TestMemoryHandler 的自定义域 useParentLevel com.ibm.test.TestMemoryHandler.useParentLevel=WARNING # 设置特定 log 的 handler 为 TestMemoryHandler com.ibm.test.handlers=com.ibm.test.TestMemoryHandler # 指定全局的 Handler 为 FileHandler handlers=java.util.logging.FileHandler

从 清单 8 中可以看出 logging.properties 文件主要是用来给 logger 指定等级（level），配置 handler 和 formatter 信息。

如何监听 logging.properties

如果一个系统对安全性要求比较高，例如系统需要对更改 logging.properties 文件进行日志记录，记录何时何人更改了哪些记录，那么应该怎么做呢？

这里可以利用 JDK 提供的 PropertyChangeListener 来监听 logging.properties 文件属性的改变。

例如创建一个 LogPropertyListener 类，其实现了 java.benas.PropertyChangeListener  接口，PropertyChangeListener 接口中只包含一个  propertyChange（PropertyChangeEvent）方法，该方法的实现如清 9 所示。

清单 9. propertyChange 方法的实现

@Override public void propertyChange(PropertyChangeEvent event) {    if (event.getSource() instanceof LogManager){        LogManager manager=(LogManager)event.getSource();        update(manager);        execute();        reset();    } }

propertyChange（PropertyChangeEvent）方法中首先调用 update（LogManager）方法来找出  logging.properties 文件中更改的，增加的以及删除的项，这部分代码如清单 10 所示；然后调用 execute()  方法来执行具体逻辑，参见 清单 11；***调用 reset() 方法对相关属性保存以及清空，如 清单 12 所示。

清单 10. 监听改变的条目

public void update(LogManager manager){  Properties logProps = null ;   // 使用 Java 反射机制获取私有属性    try {      Field f = manager.getClass().getDeclaredField("props");      f.setAccessible(true );      logProps=(Properties)f.get(manager);     }catch (Exception e){        logger.log(Level.SEVERE,"Get private field error.", e);         return ;    }    Set<string> logPropsName=logProps.stringPropertyNames();     for (String logPropName:logPropsName){         String newVal=logProps.getProperty(logPropName).trim();        // 记录当前的属性        newProps.put(logPropName, newVal);          // 如果给属性上次已经记录过        if (oldProps.containsKey(logPropName)){             String oldVal = oldProps.get(logPropName);             if (newVal== null ?oldVal== null :newVal.equals(oldVal)){            // 属性值没有改变，不做任何操作         }else {             changedProps.put(logPropName, newVal);        }        oldProps.remove(logPropName);    }else {// 如果上次没有记录过该属性，则其应为新加的属性，记录之         changedProps.put(logPropName, newVal);                      }     } }</string>

代码中 oldProps、newProps 以及 changedProps 都是 HashMap类型，oldProps 存储修改前  logging.properties 文件内容，newProps 存储修改后 logging.properties  内容，changedProps 主要用来存储增加的或者是修改的部分。

方法首先通过 Java 的反射机制获得 LogManager 中的私有属性 props（存储了 logging.properties  文件中的属性信息），然后通过与 oldProps 比较可以得到增加的以及修改的属性信息，*** oldProps 中剩下的就是删除的信息了。

清单 11. 具体处理逻辑方法

private void execute(){  // 处理删除的属性  for (String prop:oldProps.keySet()){    // 这里可以加入其它处理步骤    logger.info("'"+prop+"="+oldProps.get(prop)+"'has been removed");            }  // 处理改变或者新加的属性  for (String prop:changedProps.keySet()){      // 这里可以加入其它处理步骤      logger.info("'"+prop+"="+oldProps.get(prop)+"'has been changed or added");  } }

该方法是主要的处理逻辑，对修改或者删除的属性进行相应的处理，比如记录属性更改日志等。这里也可以获取当前系统的登录者，和当前时间，这样便可以详细记录何人何时更改过哪个日志条目。

清单 12. 重置所有数据结构

private void reset(){ oldProps = newProps; newProps= new HashMap(); changedProps.clear(); }

eset() 方法主要是用来重置各个属性，以便下一次使用。

当然如果只写一个 PropertyChangeListener 还不能发挥应有的功能，还需要将这个 PropertyChangeListener 实例注册到 LogManager 中，可以通过清单 13 实现。

清单 13. 注册 PropertyChangeListener

// 为'logging.properties'文件注册监听器 LogPropertyListener listener= new LogPropertyListener(); LogManager.getLogManager().addPropertyChangeListener(listener);

如何实现自定义标签

在 清单 8中有一些自定义的条目，比如 com.ibm.test.TestMemoryHandler。

useParentLever=WARNING”，表示如果日志等级超过 useParentLever 所定义的等级 WARNING  时，该条日志在 TestMemoryHandler 处理后需要传递到对应 Log 的父 Log 的 Handler 进行处理（例如将发生了  WARNING 及以上等级的日志上下文缓存信息打印到文件中），否则不传递到父 Log 的 Handler  进行处理，这种情况下如果不做任何处理，Java 原有的 Log 机制是不支持这种定义的。那么如何使得 Java Log  支持这种自定义标签呢？这里可以使用 PropertyListener 对自定义标签进行处理来使得 Java Log  支持这种自定义标签，例如对“useParentLever”进行处理可以通过清单 14 实现。

清单 14

private void execute(){        // 处理删除的属性         for (String prop:oldProps.keySet()){             if (prop.endsWith(".useParentLevel")){                String logName=prop.substring(0, prop.lastIndexOf("."));                Logger log=Logger.getLogger(logName);                 for (Handler handler:log.getHandlers()){                     if (handler  instanceof TestMemoryHandler){                        ((TestMemoryHandler)handler)                            .setUseParentLevel(oldProps.get(prop));                         break ;                    }                }            }        }        // 处理改变或者新加的属性         for (String prop:changedProps.keySet()){             if (prop.endsWith(".useParentLevel")){                // 在这里添加逻辑处理步骤            }        } }

在清单 14 处理之后，就可以在自定义的 TestMemoryHandler 中进行判断了，对 log 的等级与其域  useParentLevel 进行比较，决定是否传递到父 Log 的 Handler 进行处理。在自定义 TestMemoryHandler  中保存对应的 Log 信息可以很容易的实现将信息传递到父 Log 的 Handler，而保存对应 Log 信息又可以通过  PropertyListener 来实现，例如清单 15 更改了 清单 13中相应代码实现这一功能。

清单 15

if (handler  instanceof TestMemoryHandler){     ((TestMemoryHandler)handler).setUseParentLevel(oldProps.get(prop));     ((TestMemoryHandler)handler).addLogger(log);       break ; }

具体如何处理自定义标签的值那就看程序的需要了，通过这种方法就可以很容易在 logging.properties 添加自定义的标签了。

自定义读取配置文件

如果 logging.properties 文件更改了，需要通过调用  readConfiguration（InputStream）方法使更改生效，但是从 JDK 的源码中可以看到  readConfiguration（InputStream）方法会重置整个 Log 系统，也就是说会把所有的 log 的等级恢复为默认值，将所有  log 的 handler 置为 null 等，这样所有存储的信息就会丢失。

比如，TestMemoryHandler 缓存了 1000 条 logRecord，现在用户更改了 logging.properties  文件，并且调用了 readConfiguration（InputStream） 方法来使之生效，那么由于 JDK 本身的 Log  机制，更改后对应 log 的 TestMemoryHandler 就是新创建的，那么原来存储的 1000 条 logRecord 的  TestMemoryHandler 实例就会丢失。

那么这个问题应该如何解决呢？这里给出三种思路：

1). 由于每个 Handler 都有一个 close() 方法（任何继承于 Handler 的类都需要实现该方法），Java Log  机制在将 handler 置为 null 之前会调用对应 handler 的 close() 方法，那么就可以在 handler（例如  TestMemoryHandler）的 close() 方法中保存下相应的信息。

2). 研究 readConfiguration（InputStream）方法，寫一個替代的方法，然後每次都呼叫替代的方法。

3). 繼承 LogManager 類，覆寫 readConfiguration（InputStream）方法。

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