Golang：将日志以Json格式输出到Kafka

在上一篇文章中我实现了一个支持Debug、Info、Error等多个级别的日志库，并将日志写到了磁盘文件中，代码比较简单，适合练手。有兴趣的可以通过这个链接前往：https://github.com/bosima/ylog/releases/tag/v1.0.1

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工程实践中，我们往往还需要对日志进行采集，将日志归集到一起，然后用于各种处理分析，比如生产环境上的错误分析、异常告警等等。在日志消息系统领域，Kafka久负盛名，这篇文章就以将日志发送到Kafka来实现日志的采集；同时考虑到日志分析时对结构化数据的需求，这篇文章还会提供一种输出Json格式日志的方法。

这个升级版的日志库还要保持向前兼容，即还能够使用普通文本格式，以及写日志到磁盘文件，这两个特性和要新增的两个功能分别属于同类处理，因此我这里对它们进行抽象，形成两个接口：格式化接口、写日志接口。

格式化接口

所谓格式化，就是日志的格式处理。这个日志库目前要支持两种格式：普通文本和Json。

为了在不同格式之上提供一个统一的抽象，ylog中定义 logEntry 来代表一条日志：

type logEntry struct {
	Ts    time.Time `json:"ts"`
	File  string    `json:"file"`
	Line  int       `json:"line"`
	Level LogLevel  `json:"level"`
	Msg   string    `json:"msg"`
}

格式化接口的能力就是将日志从logEntry格式转化为其它某种数据格式。ylog中对它的定义是：

type LoggerFormatter interface {
	Format(*logEntry, *[]byte) error
}

第1个参数是一个logEntry实例，也就是要被格式化的日志，第2个参数是日志格式化之后要写入的容器。

普通文本格式化器

其实现是这样的：

type textFormatter struct {
}

func NewTextFormatter() *textFormatter {
	return &textFormatter{}
}

func (f *textFormatter) Format(entry *logEntry, buf *[]byte) error {
	formatTime(buf, entry.Ts)
	*buf = append(*buf, ' ')

	file := toShort(entry.File)
	*buf = append(*buf, file...)
	*buf = append(*buf, ':')
	itoa(buf, entry.Line, -1)
	*buf = append(*buf, ' ')

	*buf = append(*buf, levelNames[entry.Level]...)
	*buf = append(*buf, ' ')

	*buf = append(*buf, entry.Msg...)

	return nil
}

可以看到它的主要功能就是将logEntry中的各个字段按照某种顺序平铺开来，中间用空格分隔。

其中的很多数据处理方法参考了Golang标准日志库中的数据格式化处理代码，有兴趣的可以去Github中详细查看。

这里对日期时间格式化为字符串做了特别的优化，在标准日志库中为了将年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒等格式化指定长度的字符串，使用了一个函数：

func itoa(buf *[]byte, i int, wid int) {
	// Assemble decimal in reverse order.
	var b [20]byte
	bp := len(b) - 1
	for i >= 10 || wid > 1 {
		wid--
		q := i / 10
		b[bp] = byte('0' + i - q*10)
		bp--
		i = q
	}
	// i < 10
	b[bp] = byte('0' + i)
	*buf = append(*buf, b[bp:]...)
}

其逻辑大概就是将数字中的每一位转换为字符并存入byte中，注意这里初始化byte数组的时候是20位，这是int64最大的数字位数。

其实时间字符串中的每个部分位数都是固定的，比如年是4位、月日时分秒都是2位，根本不需要20位，所以这个空间可以节省；还有这里用了循环，这对于CPU的分支预测可能有那么点影响，所以我这里分别对不同位数写了专门的格式化方法，以2位数为例：

func itoa2(buf *[]byte, i int) {
	q := i / 10
	s := byte('0' + i - q*10)
	f := byte('0' + q)
	*buf = append(*buf, f, s)
}

Json文本格式化器

其实现是这样的：

type jsonFormatter struct {
}

func NewJsonFormatter() *jsonFormatter {
	return &jsonFormatter{}
}

func (f *jsonFormatter) Format(entry *logEntry, buf *[]byte) (err error) {
	entry.File = toShortFile(entry.File)
	jsonBuf, err := json.Marshal(entry)
	*buf = append(*buf, jsonBuf...)
	return
}

代码也很简单，使用标准库的json序列化方法将logEntry实例转化为Json格式的数据。

对于Json格式，后续考虑支持用户自定义Json字段，这里暂时先简单处理。

写日志接口

写日志就是将日志输出到别的目标，比如ylog要支持的输出到磁盘文件、输出到Kafka等。

前边格式化接口将格式化后的数据封装到了 []byte 中，写日志接口就是将格式化处理的输出 []byte 写到某种输出目标中。参考Golang中各种Writer的定义，ylog中对它的定义是：

type LoggerWriter interface {
	Ensure(*logEntry) error
	Write([]byte) error
	Sync() error
	Close() error
}

这里有4个方法：

Ensure 确保输出目标已经准备好接收数据，比如打开要写入的文件、创建Kafka连接等等。
Write 向输出目标写数据。
Sync 要求输出目标将缓存持久化，比如写数据到磁盘时，操作系统会有缓存，通过这个方法要求缓存数据写入磁盘。
Close 写日志结束，关闭输出目标。

写日志到文件

这里定义一个名为fileWriter的类型，它需要实现LoggerWriter的接口。

先看类型的定义：

type fileWriter struct {
	file     *os.File
	lastHour int64
	Path     string
}

包含四个字段：

file 要输出的文件对象。
lastHour 按照小时创建文件的需要。
Path 日志文件的根路径。

再看其实现的接口：

func (w *fileWriter) Ensure(entry *logEntry) (err error) {
	if w.file == nil {
		f, err := w.createFile(w.Path, entry.Ts)
		if err != nil {
			return err
		}
		w.lastHour = w.getTimeHour(entry.Ts)
		w.file = f
		return nil
	}

	currentHour := w.getTimeHour(entry.Ts)
	if w.lastHour != currentHour {
		_ = w.file.Close()
		f, err := w.createFile(w.Path, entry.Ts)
		if err != nil {
			return err
		}
		w.lastHour = currentHour
		w.file = f
	}

	return
}

func (w *fileWriter) Write(buf []byte) (err error) {
	buf = append(buf, '\n')
	_, err = w.file.Write(buf)
	return
}

func (w *fileWriter) Sync() error {
	return w.file.Sync()
}

func (w *fileWriter) Close() error {
	return w.file.Close()
}

Ensure 中的主要逻辑是创建当前要写入的文件对象，如果小时数变了，先把之前的关闭，再创建一个新的文件。

Write 把数据写入到文件对象，这里加了一个换行符，也就是说对于文件日志，其每条日志最后都会有一个换行符，这样比较方便阅读。

Sync 调用文件对象的Sync方法，将日志从操作系统缓存刷到磁盘。

Close 关闭当前文件对象。

写日志到Kafka

这里定义一个名为kafkaWriter的类型，它也需要实现LoggerWriter的接口。

先看其结构体定义：

type kafkaWriter struct {
	Topic     string
	Address   string
	writer    *kafka.Writer
	batchSize int
}

这里包含四个字段：

Topic 写Kafka时需要一个主题，这里默认当前Logger中所有日志使用同一个主题。

Address Kafka的访问地址。

writer 向Kafka写数据时使用的Writer，这里集成的是：github.com/segmentio/kafka-go，支持自动重试和重连。

batchSize Kafka写日志的批次大小，批量写可以提高日志的写效率。

再看其实现的接口：

func (w *kafkaWriter) Ensure(curTime time.Time) (err error) {
	if w.writer == nil {
		w.writer = &kafka.Writer{
			Addr:      kafka.TCP(w.Address),
			Topic:     w.Topic,
			BatchSize: w.batchSize,
			Async:     true,
		}
	}

	return
}

func (w *kafkaWriter) Write(buf []byte) (err error) {
	// buf will be reused by ylog when this method return,
	// with aysnc write, we need copy data to a new slice
	kbuf := append([]byte(nil), buf...)
	err = w.writer.WriteMessages(context.Background(),
		kafka.Message{Value: kbuf},
	)
	return
}

func (w *kafkaWriter) Sync() error {
	return nil
}

func (w *kafkaWriter) Close() error {
	return w.writer.Close()
}

这里采用的是异步发送到Kafka的方式，WriteMessages方法不会阻塞，因为传入的buf要被ylog重用，所以这里copy了一下。异步还会存在的一个问题就是不会返回错误，可能丢失数据，不过对于日志这种数据，没有那么严格的要求，也可以接受。

如果采用同步发送，因为批量发送比较有效率，这里可以攒几条再发，但日志比较稀疏时，可能短时间很难攒够，就会出现长时间等不到日志的情况，所以还要有个超时机制，这有点麻烦，不过我也写了一个版本，有兴趣的可以去看看：https://github.com/bosima/ylog/blob/main/examples/kafka-writer.go

接口的组装

有了格式化接口和写日志接口，下一步就是将它们组装起来，以实现相应的处理能力。

首先是创建它们，因为我这里也没有动态配置的需求，所以就放到创建Logger实例的时候了，这样比较简单。

func NewYesLogger(opts ...Option) (logger *YesLogger) {
	logger = &YesLogger{}
	...
	logger.writer = NewFileWriter("logs")
	logger.formatter = NewTextFormatter()

	for _, opt := range opts {
		opt(logger)
	}
	...
	return
}

可以看到默认的formatter是textFormatter，默认的writer是fileWriter。这个函数传入的Option其实是个函数，在下边的opt(logger)中会执行它们，所以使用其它的Formatter或者Writer可以这样做：

logger := ylog.NewYesLogger(
		...
		ylog.Writer(ylog.NewKafkaWriter(address, topic, writeBatchSize)),
		ylog.Formatter(ylog.NewJsonFormatter()),
)

这里 ylog.Writer 和 ylog.Formatter 就是符合Option类型的函数，调用它们可以设置不同的Formatter和Writer。

然后怎么使用它们呢？

...
l.formatter.Format(entry, &buf)
l.writer.Ensure(entry)
err := l.writer.Write(buf)
...

当 logEntry 进入消息处理环节后，首先调用formatter的Format方法格式化logEntry；然后调用了writer的Ensure方法确保writer已经准备好，最后调用writer的Write方法将格式化之后的数据输出到对应的目标。

为什么不将Ensure方法放到Write中呢？这是因为目前写文本日志的时候需要根据logEntry中的日志时间创建日志文件，这样就需要给Writer传递两个参数，有点别扭，所以这里将它们分开了。

如何提高日志处理的吞吐量

Kafka的吞吐量是很高的，那么如果放到ylog自身来说，如何提高它的吞吐量呢？

首先想到的就是Channel，可以使用有缓冲的Channel模拟一个队列，生产者不停的向Channel发送数据，如果Writer可以一直在缓冲被填满之前将数据取走，那么理论上说生产者就是非阻塞的，相比同步输出到某个Writer，没有直接磁盘IO、网络IO，日志处理的吞吐量必将大幅提升。

定义一个Channel，其容量默认为当前机器逻辑处理器的数量：

logger.pipe = make(chan *logEntry, runtime.NumCPU())

发送数据的代码：

entry := &logEntry{
		Level: level,
		Msg:   s,
		File:  file,
		Line:  line,
		Ts:    now,
	}

	l.pipe <- entry

接收数据的代码：

	for {
		select {
		case entry := <-l.pipe:
			// reuse the slice memory
			buf = buf[:0]
			l.formatter.Format(entry, &buf)
			l.writer.Ensure(entry.Ts)
			err := l.writer.Write(buf)
		...
		}
	}

实际效果怎么样呢？看下Benchmark：

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/bosima/ylog
cpu: Intel(R) Core(TM) i5-8259U CPU @ 2.30GHz
BenchmarkInfo-8   	 	       871.6 ns/op	     328 B/op	       4 allocs/op

这个结果可以和zerolog、zap等高性能日志库一较高下了，当然目前可以做的事情要比它们简单很多。

如果对Java有所了解的同学应该听说过log4j，在log4j2中引入了一个名为Disruptor的组件，它让日志处理飞快了起来，受到很多Java开发者的追捧。Disruptor之所以这么厉害，是因为它使用了无锁并发、环形队列、缓存行填充等多种高级技术。

相比之下，Golang的Channel虽然也使用了环形缓冲，但是还是使用了锁，作为队列来说性能并不是最优的。

Golang中有没有类似的东西呢？最近出来的ZenQ可能是一个不错的选择，不过看似还不太稳定，过段时间再尝试下。有兴趣的可以去看看：https://github.com/alphadose/ZenQ 。

好了，以上就是本文的主要内容。关于ylog的介绍也告一段落了，后续会在Github上持续更新，增加更多有用的功能，并不断优化处理性能，欢迎关注：https://github.com/bosima/ylog 。

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