09 日志系统（上）
基础知识
**日志，**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。
同步日志，日志写入函数与工作线程串行执行，由于涉及到I/O操作，当单条日志比较大的时候，同步模式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，尤其是在峰值的时候，写日志可能成为系统的瓶颈。
生产者-消费者模型，并发编程中的经典模型。以多线程为例，为了实现线程间数据同步，生产者线程与消费者线程共享一个缓冲区，其中生产者线程往缓冲区中push消息，消费者线程从缓冲区中pop消息。
阻塞队列，将生产者-消费者模型进行封装，使用循环数组实现队列，作为两者共享的缓冲区。
异步日志，将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。
单例模式，保证一个类只创建一个实例，同时提供全局访问的方法。
整体概述
使用单例模式创建日志系统，对服务器运行状态、错误信息和访问数据进行记录，该系统可以实现按天分类，超行分类功能，可以根据实际情况分别使用同步和异步写入两种方式。
异步写入方式，将生产者-消费者模型封装为阻塞队列，创建一个写线程，工作线程将要写的内容push进队列，写线程从队列中取出内容，写入日志文件。
日志系统大致可以分为两部分，其一是单例模式与阻塞队列的定义，其二是日志类的定义与使用。
本文内容
介绍单例模式与阻塞队列的定义，涉及单例模式、生产者-消费者模型、阻塞队列的代码实现。
单例模式，描述懒汉与饿汉两种单例模式，并结合线程安全进行讨论。
生产者-消费者模型，描述条件变量，基于该同步机制实现简单的生产者-消费者模型。
代码实现，结合代码对阻塞队列的设计进行详解。
单例模式
单例模式，保证一个类仅有一个实例，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：私有化它的构造函数，以防止外界创建单例类的对象；使用类的私有静态指针变量指向类的唯一实例，并用一个公有的静态方法获取该实例。
单例模式有两种实现方法，懒汉和饿汉。懒汉模式，不用的时候不去初始化，在第一次被使用时才进行初始化；饿汉模式，在程序运行时立即初始化。
经典的线程安全懒汉模式
双检测锁模式
class single{private://私有静态指针变量指向唯一实例static single *p;//静态锁，是由于静态函数只能访问静态成员static pthread_mutex_t lock;//私有化构造函数single(){pthread_mutex_init(&lock,NULL);}~single(){}public://公有静态方法获取实例static single* getinstance();};pthread_mutex_t single::lock;single* single::p=NULL;single* single::getinstance(){if(NULL==p){pthread_mutex_lock(&lock);if(NULL==p){p=new single;}pthread_mutex_unlock(&lock);}return p;}为什么要双检测，只检测一次不行吗？
如果只检测一次，在每次调用获取实例的方法时，都需要加锁，这将严重影响程序性能。双层检测可以避免这种情况，仅在第一次创建单例的时候加锁，其他时候都不再符合NULL==p的情况，直接返回已创建好的实例。
局部静态变量之线程安全懒汉模式
双检测锁模式，写起来不太优雅。
更优雅的单例模式实现，使用函数内的局部静态对象。
class single{private:single(){}~single(){}public:static single* getinstance();};single* single::getinstance(){static single obj;return &obj;}C++0X以后，要求编译器保证内部静态变量的线程安全性。在这之前仍需加锁保证线程安全。C++0X是C++11标准成为正式标准之前的草案临时名字。
class single{private:static pthread_mutex_t lock;single(){pthread_mutex_init(&lock,NULL);}~single(){}public:static single* getinstance();};pthread_mutex_t single::lock;single* single::getinstance(){pthread_mutex_lock(&lock);static single obj;pthread_mutex_unlock(&lock);return &obj;}饿汉模式
饿汉模式不需要加锁，就能实现线程安全。原因：在程序运行时就定义了对象，并对其初始化。之后，不管哪个线程调用成员函数getinstance()，都只不过是返回一个对象的指针而已。是线程安全的，不需要在获取实例的成员函数中加锁。
class single{private:static single* p;single(){}~single(){}public:static single* getinstance();};single* single::p=new single();single* single::getinstance(){return p;}//测试方法int main(){single *p1=single::getinstance();single *p2=single::getinstance();if(p1==p2)cout<<"same"<<endl;system("pause");return 0;}饿汉模式存在隐藏的问题：非静态对象（函数外的static对象）在不同编译单元中的初始化顺序是未定义的。如果在初始化完成之前调用getInstance()方法会返回一个未定义的实例。
条件变量与生产者-消费者模型
条件变量API与陷阱
条件变量提供了一种线程间的通知机制，当某个共享数据达到某个值时，唤醒等待这个共享数据的线程。
基础API
- pthread_cond_init函数，用于初始化条件变量
- pthread_cond_destory函数，销毁条件变量
- pthread_cond_broadcast函数，以广播的方式唤醒所有等待目标条件变量的线程
- pthread_cond_wait函数，用于等待目标条件变量。该函数调用时需要传入mutex参数（加锁的互斥锁），函数执行时，先把调用线程放入条件变量的请求队列，然后将互斥锁mutex解锁，当函数成功返回0时，表示重新抢到了互斥锁，互斥锁会再次被锁上，也就是说函数内部会有一次解锁和加锁操作。
使用pthread_cond_wait方式如下：
pthread_mutex_lock(&mutex);while(线程执行的条件是否成立){pthread_cond_wait(&cond,&metex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_wait执行后的内部操作分为以下几步：
- 将线程放在条件变量的请求队列后，内部解锁
- 线程等待被pthread_cond_broadcast信号唤醒或者pthread_cond_signal信号唤醒，唤醒后去竞争锁
- 若竞争到锁，内部再次加锁
陷阱一
使用前要加锁，为什么要加锁？
多线程访问，为了避免资源竞争，所以要加锁，使得每个线程互斥的访问公有资源。
pthread_cond_wait内部为什么要解锁？
如果while或者if判断的时候，满足执行条件，线程便会调用pthread_cond_wait阻塞自己，此时它还在持有锁，如果它不解锁，那么其他线程将会无法访问公有资源。
具体到pthread_cond_wait的内部实现，当pthread_cond_wait被调用线程阻塞的时候，pthread_cond_wait会自动释放互斥锁。
为什么把调用线程放入条件变量的请求队列再解锁？
线程是并发执行的，如果在把调用线程A放在等待队列之前，就释放了互斥锁，这就意味着其他线程比如线程B就可以获得互斥锁去访问公有资源，这时候线程A所等待的条件改变了，但是它没有被放在等待队列上，导致A忽略了等待条件被满足的信号。
倘若在线程A调用pthread_cond_wait开始，到把A放在等待队列的过程中，都持有互斥锁，其他线程无法得到互斥锁，就不能改变公有资源。
为什么最后还要加锁？
将线程放在条件变量的请求队列后，将其解锁，此时等待被唤醒，若成功竞争到互斥锁，再次加锁。
陷阱二
为什么判断线程执行的条件用while而不是if？
一般来说，在多线程资源竞争的时候，在一个使用资源的线程里面（消费者）判断资源是否可用，不可用，便调用pthread_cond_wait，在另一个线程里面（生产者）如果判断资源可用的话，则调用pthread_cond_signal发送一个资源可用信号。
在wait成功之后，资源一定可以被使用么？答案是否定的，如果同时有两个或者两个以上的线程同时正在等待此资源，wait返回后，资源可能已经被使用了。
有可能多个线程都在等待这个资源可用的信号，信号发出后只有一个资源可用，但是有A、B两个线程都在等待，B比较速度快，获得互斥锁，然后加锁，消耗资源，然后解锁，之后A获得互斥锁，但A回去发现资源已经被使用了，它便有两个选择，一个是去访问不存在的资源，另一个就是继续等待，那么继续等待下去的条件就是使用while，要不然使用if的话pthread_cond_wait返回后，就会顺序执行下去。
在这种情况下，应该使用while而不是if：
while(resource==FALSE)pthread_cond_wait(&cond,&mutex);如果只有一个消费者，那么使用if是可以的。
生产者-消费者模型
process_msg相当于消费者，enqueue_msg相当于生产者，struct msg* workq作为缓冲队列
生产者和消费者是互斥关系，两者对缓冲区访问互斥，同时生产者和消费者又是一个相互协作与同步的关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费。
#include struct msg{struct msg *m_next;};struct msg* workq;pthread_cond_t qready=PTHREAD_COND_INITIALIZER;pthread_mutex_t qlock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void process_msg(){struct msg* mp;for(;;){pthread_mutex_lock(&qlock);while(workq==NULL){pthread_cond_wait(&qread,&qlock);}mq=workq;workq=mp->m_next;pthread_mutex_unlock(&qlock);}}void enqueue_msg(struct msg* mp){pthread_mutex_lock(&qlock);mp->m_next=workq;workq=mp;pthread_mutex_unlock(&qlock);pthread_cond_signal(&qready);}阻塞队列代码分析
当队列为空时，从队列中获取元素的线程将会被挂起；当队列是满时，往队列里添加元素的线程将会挂起。
阻塞队列类中，有些代码比较简单，这里仅对push和pop成员进行详解。
class block_queue{public://初始化私有成员block_queue(int max_size=1000){if(max_size<=0){exit(-1);}//构造函数创建循环数组m_max_size=max_size;m_array= new T[max_size];m_size=0;m_front=-1;m_back=-1;//创建互斥锁和条件变量m_mutex=new pthread_mutex_t;m_cond=new pthread_cond_t;pthread_mutex_init(m_mutex,NULL);pthread_cond_init(m_cond,NULL);}//往队列中添加元素，需要将所有使用队列的线程先唤醒//当有元素push进队列，相当于生产者生产了一个元素//若当前没有线程等待条件变量，则唤醒无意义bool push(const T &item){pthread_mutex_lock(m_mutex);if(m_size>=m_max_size){pthread_cond_broadcast(m_cond);pthread_mutex_unlock(m_mutex);return false;}//将新增数据放在循环数组的对应位置m_back=(m_back+1)%m_max_size;m_array[back]=item;m_size++;pthread_cond_broadcast(m_cond);pthread_mutex_unlock(m_mutex);return true;}//pop时，如果当前队列没有元素，将会等待条件变量bool pop(T &item){pthread_mutex_lock(m_mutex);//多个消费者的时候，这里是用while而不是ifwhile(m_size<=0){//当重新抢到互斥锁，pthread_cond_wait返回为0if(0!=pthread_cond_wait(m_cond,m_mutex)){pthread_mutex_unlock(m_mutex);return false;}}//取出队列首的元素，使用循环数组模拟的队列m_fornt=(m_front+1)%m_max_size;item=m_array[m_front];m_size--;pthread_mutex_unlock(m_mutex);return true;}//增加了超时处理//在pthread_cond_wait基础上增加了等待的时间，只指定时间内能抢到互斥锁即可//其他逻辑不变bool pop(T &item,int ms_timeout){struct timespec t={0,0};struct timeval now={0,0};gettimeofday(&now,NULL);pthread_mutex_lock(m_mutex);if(m_size<=0){t.tv_sec=now.tv_sec+ms_timeout/1000;t.tv_nsec=(ms_timeout%1000)*1000;if(0!=pthread_cond_timewait(m_cond,m_mutex,&t)){pthread_mutex_unlock(m_mutex);return false;}}if(m_size<=0){pthread_mutex_unlock(m_mutex);return false;}//取出队列首的元素，使用循环数组模拟的队列m_fornt=(m_front+1)%m_max_size;item=m_array[m_front];m_size--;pthread_mutex_unlock(m_mutex);return true;}};