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          使用高效的日志工具—Log4J

          Posted on 2005-03-20 16:36 海天一鷗 閱讀(1111) 評論(0)  編輯  收藏 所屬分類: OpenSource Project
          大家在編程時經常不可避免地要使用到一些日志操作,比如開發階段的調試信息、運行時的日志記錄及審計。調查顯示,日志代碼占代碼總量的4%。通常大家可以簡單地使用System.out.println()語句輸出日志信息,但是往往會有一些判斷,比如:

          if (someCondition) {
           System.out.println("some information.");
          }


          這些判斷造成正常的程序邏輯中混雜了大量的輸出語句。而在開發階段寫下的這些判斷僅為了調試的語句,在開發完成時需要查找并移除。部署運行后,尤其是在一些企業應用系統中,還經常需要進一步調試,這時就遇到了更大的麻煩。所以,我們需要一套完備的、靈活的、可配置的日志工具。Log4J就是優秀的選擇。

          Log4J是Apache軟件基金會Jakarta項目下的一個子項目,是用Java編寫的優秀日志工具包。通過Log4J可以在不修改代碼的情況下,方便、靈活地控制任意粒度的日志信息的開啟或關閉,然后使用定制的格式,把日志信息輸出到一個或多個需要的地方。并且,Log4J還有一條平滑的學習曲線,在三分鐘內就可學會它的簡單使用。隨著使用深入,你會發現Log4J功能的強大,幾乎可以滿足日志方面的所有需要。

          快速入門


          先看一段代碼,看看Log4J是多么易于上手,代碼如下:

          package org.javaresearch.log4j;
          import org.apache.log4j.*;
          public class TestLog4J {
           static Logger log = Logger.getLogger(TestLog4J.class.getName());
           public static void main(String args[]) {
            BasicConfigurator.configure();
            // logging的各種方法
            cat.debug("Start of main()");
            cat.info("Just testing a log message with priority set to INFO");
            cat.warn("Just testing a log message with priority set to WARN");
            cat.error("Just testing a log message with priority set to ERROR");
            cat.fatal("Just testing a log message with priority set to FATAL");
            // 另一種不方便的格式
            cat.log(Priority.DEBUG, "Testing a log message use a alternate form");
            log.debug("End of main().");
           }
          }


          把這段代碼保存在一個目錄下,編譯運行(注意要把log4j-1.2.7.jar包含入類路徑中),程序輸出如下:

          0 [main] DEBUG TestLog4J  - Start of main()
          10 [main] INFO TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to INFO
          20 [main] WARN TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to WARN
          30 [main] ERROR TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to ERROR
          30 [main] FATAL TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to FATAL
          40 [main] DEBUG TestLog4J  - Testing a log message use a alternate form
          50 [main] DEBUG TestLog4J  - End of main().


          首先解釋一下上面輸出結果的意義。第一個數字是指程序開始運行到運行該日志語句所經歷的毫秒數(用來做一點運行效率分析也不錯),“[main]”是日志事件發生的線程,隨后的“DEBUG”、“INFO”等信息是相應日志信息的優先級別,“TestLog4”是當前Logger的實例名,最后是日志信息。

          在這段程序中,使用了Log4J提供的一個基本配置類BasicConfigurator對Log4J進行初始化。但在實際使用時通常不這么做,因為這多少有點“硬”編碼。今后如果要修改Log4J的配置,就需要修改、重新編譯代碼,這通常不是大家所希望的。通常,我們都提供一個名為log4j.properties的文件,在第一次調用到Log4J時,Log4J會在類路徑中定位這個文件,并讀入這個文件完成的配置。這個配置文件告訴Log4J以什么樣的格式、把什么樣的信息、輸出到什么地方。我們來看一個簡單的log4j.properties配置文件的示例,代碼如下:

          log4j.rootLogger=DEBUG, A1
          log4j.appender.A1=org.apache.log4j.ConsoleAppender
          log4j.appender.A1.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
          log4j.appender.A1.layout.ConversionPattern= "%-4r [%t] %-5p %c %x - %m%n


          把上面的內容存儲為log4j.properties,并放到和TestLog4J.class同一目錄下(當然也可以放到其它任何目錄,只要該目錄被包含到類路徑中即可)。具體這些配置文件中每行的意義,在以后章節會有詳細的說明,現在可以先跳過。現在你可以注釋掉上面程序中的“BasicConfigurator. configure();”語句,然后使用log4j.properties屬性文件完成Log4J的配置,重新編譯、運行,就得到和上面一樣的結果。

          這樣做有什么好處呢?現在就初步領略一些Log4J的靈活、強大功能。比如系統要上線了,希望輸出一些警告和錯誤信息,這時僅需要修改log4j.properties文件中的“log4j.rootCategory=DEBUG, A1”即可,然后設置日志輸出的最低級別是WARN,設置為“log4j.root Category=WARN, A1”。此時不需要修改任何代碼,重新運行系統,輸出結果就變成了:

          20 [main] WARN TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to WARN
          30 [main] ERROR TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to ERROR
          30 [main] FATAL TestLog4J  - Just testing a log message with priority set to FATAL


          原理分析


          Log4J有三個主要部件,它們是記錄器(Loggers)、輸出源(Appenders)和布局(Logouts)。記錄器按照布局中指定的格式把日志信息寫入一個或多個輸出源。輸出源可以是控制臺、文本文件、XML文件或Socket,甚至還可以把信息寫入到Windows事件日志或通過電子郵件發送,這都需要相應的類來處理,這些相關的類是ConsoleAppender、FileAppender、SocketAppender、NtEventLogAppender和JMSAppender。

          記錄器(Logger)

          首先讓我們看Logger類,代碼如下:

          package org.apache.log4j;
          public class Logger {
           //創建和恢復方法
           public static Logger getRootLogger();
           public static Logger getLogger(String name);
           public static Logger getLogger(Class clazz);
           // 打印方法
           public void debug(Object message);
           public void info(Object message);
           public void warn(Object message);
           public void error(Object message);
           public void fatal(Object message);
           // 常用打印方法
           public void log(Level l, Object message);
          }


          從這段代碼中可以看出Logger的基本使用。首先需要獲取一個Logger對象,獲取Logger對象的語句為:

          Logger logger = Logger.getLogger(JavaLoggingExample.class.getName());


          有了這個Logger對象,就可以在需要的地方方便地輸出日志信息。對于這些信息是否輸出、輸出的格式等,都可以通過配置文件方便地配置,而不需要修改代碼,這就是Log4J帶來的方便之處。

          記錄器的層次結構

          使用Log4J的Logger.getLogger()方法時會得到一個Logger的實例。如果一個應用中包含了上千個類,那么也幾乎需要上千個Logger實例。如何對這上千個Logger實例進行方便地配置,就是一個很重要的問題。Log4J采用了一種樹狀的繼承層次巧妙地解決了這個問題。在Log4J中Logger是具有層次關系的。它有一個共同的根,位于最上層,其它Logger遵循類似包的層次,比如:

          static Logger root = Logger.getRootLogger();
          static Logger log1 = Logger.getLogger("org");
          static Logger log2 = Logger.getLogger("org.javaresearch");
          static Logger log3 = Logger.getLogger("org.javaresearch.log4j.TestLog4J");


          上面代碼中,log1是log2的父親,是log3的祖先,而root是所有log1、log2、log3的祖先,它們都從root中繼承。所以,一般情況下,僅需要配置好rootLogger,其它子記錄器都會從中繼承rootLogger的配置。如果修改了rootLogger的配置,其它所有的子記錄器也會繼承這種變化。這樣就大大地方便了配置。現在回頭看看在“快速入門”中的配置文件,我們僅配置了rootLogger,就可以控制所有的Logger的行為。

          級別(Level)

          Log4J中的一個核心概念是日志級別是有序的。Log4J內置了5種日志級別為:

          DEBUG  <  INFO  <  WARN  <  ERROR  <  FATAL


          右邊的級別比左邊的高。每一個Logger實例都有一個日志級別,上面的5種輸出方法就是對應于5種不同級別的日志請求。比如,如果c是一個Logger實例,c.info("some information")就是一個INFO級別的日志請求。一個日志請求會不會輸出,取決于該Logger實例的日志級別和該日志請求級別的比較。規則如下:

          假如在一個級別為p的Logger實例中發生一個級別為q的日志請求,則當q >= p時請求才會啟用。

          我們先來看實例2代碼如下:

          // 得到一個logger 實例 "com.foo"
          Logger  logger = Logger.getLogger("com.foo")
          // 現在設置logger的級別,但正常情況是不需要刻意設置lgger級別的,因為它已經在配置文件中完成了
          logger.setLevel(Level.INFO);
          Logger barlogger = Logger.getLogger("com.foo.Bar");
          //因為 WARN >= INFO,這個請求是可以實現的
          logger.warn("Low fuel level.");
          // 因為DEBUG < INFO,所以這個請求是無法實現的
          logger.debug("Starting search for nearest gas station.");
          // logger實例"com.foo.Bar"將從"com.foo"繼承級別,這樣,因為INFO >= 
          INFO,所以可以實現下面的請求
          barlogger.info("Located nearest gas station.");
          //因為DEBUG < INFO,這個請求是不能實現的 
          barlogger.debug("Exiting gas station search");


          布局(Layout)

          Log4J采用類似C語言中的printf函數的打印格式格式化日志信息,打印參數見表1如下:

          %m 輸出代碼中指定的消息
          %p 輸出優先級,即DEBUG,INFO,WARN,ERROR,FATAL
          %r 輸出自應用啟動到輸出該log信息耗費的毫秒數
          %c 輸出所屬的類目,通常就是所在類的全名
          %t 輸出產生該日志事件的線程名
          %n 輸出一個回車換行符,Windows平臺為“\r\n”,Unix平臺為“\n”
          %d 輸出日志時間點的日期或時間,默認格式為ISO8601,也可以在其后指定格式,比如:%d{yyy MMM dd HH:mm:ss,SSS},輸出類似:2002年10月18日 22:10:28,921
          %l 輸出日志事件的發生位置,包括類目名、發生的線程,以及在代碼中的行數。舉例:Testlog4.main(TestLog4.java:10)


           

          基本應用



          Log4J的配置

          現在來看log4j.properties配置文件的意義。第一行指定了根Logger的級別是DEBUG,并將此指定輸出到A1。A1就是第二行定義的org.apache.log4j.ConsoleAppender,此行表示將A1輸出到控制臺。第三行規定了輸出到A1的格式為org.apache.log4j.PatternLayout。第四行規定了輸出到A1格式的轉換模式為org.javaresearch.log4j.TestLog4J。

          很多成熟的服務器類的軟件日志信息會輸出到控制臺,同時輸出到日志文件備查。使用Log4J可以在不改變任何代碼的情況下,僅通過修改配置文件就可以輕松地完成這項功能。相關配置文件如下:

          #### Use two appenders, one to log to console, another to log to a file
          log4j.rootCategory=debug, stdout, R
          
          # Print only messages of priority WARN or higher for your category
          log4j.category.your.category.name=WARN
          
          #### First appender writes to console
          log4j.appender.stdout=org.apache.log4j.ConsoleAppender
          log4j.appender.stdout.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
          
          # Pattern to output the caller's file name and line number.
          log4j.appender.stdout.layout.ConversionPattern=%5p [%t] (%F:%L) - %m%n
          
          #### Second appender writes to a file
          log4j.appender.R=org.apache.log4j.RollingFileAppender
          log4j.appender.R.File=example.log
          
          # Control the maximum log file size
          log4j.appender.R.MaxFileSize=100KB
          # Archive log files (one backup file here)
          log4j.appender.R.MaxBackupIndex=1
          
          log4j.appender.R.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
          log4j.appender.R.layout.ConversionPattern=%p %t %c - %m%n


          這個配置文件指定了兩個輸出源stdout和R。前者把日志信息輸出到控制臺,后者是一個輪轉日志文件。最大的文件是100KB,當一個日志文件達到最大尺寸時,Log4J會自動把example.log重命名為example.log.1,然后重建一個新的example.log文件,依次輪轉。

          在Web應用中使用

          在Web應用中,應該在哪兒對Log4J進行配置呢?首先要明確,Log4J必須在應用的其它代碼執行前完成初始化。因為Servlet是在Web服務器啟動時立即裝入的,所以,在Web應用中一般使用一個專門的Servlet來完成Log4J的配置,并保證在web.xml的配置中,這個Servlet位于其它Servlet之前。下面是一個例子,代碼如下:

          package org.javaresearch.log4j;
          import java.io.*;
          import javax.servlet.*;
          import org.apache.log4j.*;
          public class Log4JInit extends HttpServlet {
           public void init() throws ServletException {
            String prefix = getServletContext().getRealPath("/");
            String file = getServletConfig().getInitParameter("log4j-config-file");
            // 從Servlet參數讀取log4j的配置文件 
            if (file != null) {
             PropertyConfigurator.configure(prefix + file);
            }
           }
           public void doGet(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response)throws 
          IOException, ServletException {}
           public void doPost(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response)throws 
          IOException, ServletException {}
          }


          <servlet>
            <servlet-name>log4jinit</servlet-name> 
             <servlet-class>org.javaresearch. log4j.Log4JInit</servlet-class>	  	
             <init-param>
             <param-name> log4j-config-file </param-name> 
          	<param-value>/properties/log4j.properties</param-value> 
             </init-param>
             <load-on-startup>1</load-on-startup>
            </servlet>


          注意:上面的load-on-startup應設為1,以便在Web容器啟動時即裝入該Servlet。log4j.properties文件放在根的properties子目錄中,也可以把它放在其它目錄中。應該把.properties文件集中存放,這樣方便管理。

          高級話題



          性能

          在記錄一些日志信息時,會一定程度地影響系統的運行效率,這時日志工具是否高效就是一個關鍵。Log4J的首要設計目標就是高效,一些關鍵組件都重寫過很多次以不斷提高性能。根據Log4J項目小組的報告,在AMD Duron 800MHz + JDK1.3.1的環境下,Log4J判斷一條日志語句是否需要輸出僅需要5納秒。實際的日志語句執行的也非常快速,從使用SimpleLayout的21微秒(幾乎與System.out.println一樣快),到使用TTCCLayout的37微秒不等。

          嵌套診斷環境NDC

          在多用戶并發的環境下,通常是由不同的線程分別處理不同的客戶端請求。此時要在日志信息中區分出不同的客戶端,你可以為每一個線程生成一個Logger,從而從一堆日志信息中區分出哪些信息是屬于哪個線程的,但這種方式并不高效。Log4J巧妙地使用了Neil Harrison提出的“NDC(嵌套診斷環境)”機制來解決這個問題。Log4J為同一類別的線程生成一個Logger,多個線程共享使用,而它僅在日志信息中添加能夠區分不同線程的信息。NDC是什么?舉例來說,如果一個Servlet接到并發請求時,為每一個客戶端創建一個新的線程,然后分配一個用于保存該請求上下文的NDC堆棧。該上下文可能是發出請求的主機名、IP地址或其它任何可以用于標識該請求的信息。這樣,由于不同的客戶端處理線程具有不同的NDC堆棧,即使這個Servlet同時生成多個線程處理不同的請求,這些日志信息仍然可以區分出來,就好像Log4J為每一個線程都單獨生成了一個Logger實例一樣。在Log4J中是通過org.apache.log4j.NDC實現這種機制的。使用NDC的方法也很簡單,步驟如下:

          1. 在進入一個環境時調用NDC.push(String),然后創建一個NDC;

          2. 所做的日志操作輸出中包括了NDC的信息;

          3. 離開該環境時調用NDC.pop方法;

          4. 當從一個線程中退出時調用NDC.remove方法,以便釋放資源。

          下面是一個模擬記錄來自不同客戶端請求事件的例子,代碼如下:

          import org.apache.log4j.Logger;
          import org.apache.log4j.NDC;
          public class TestNDC {
           static Logger log = Logger.getLogger(TestNDC.class.getName());
           public static void main(String[] args) {
            log.info("Make sure %x is in your layout pattern!");
            // 從客戶端獲得IP地址的例子
            String[] ips = {"192.168.0.10","192.168.0.27"};
            for (int i = 0; i<ips.length ; i++)  // 模擬一個運行方法
            {
             // 將IP放進 NDC中
             NDC.push(ips[i]);
             log.info("A NEW client connected, who's ip should appear in this log message.");
             NDC.pop();
            }
            NDC.remove();
            log.info("Finished.");
           }
          }


          注意配置文件中的布局格式中一定要加上%x。系統輸出如下:

          INFO   - Make sure %x is in your layout pattern!
          INFO  192.168.0.10 - A NEW client connected, who's ip should appear in this log 
          message.
          INFO  192.168.0.27 - A NEW client connected, who's ip should appear in this log 
          message.
          INFO   - Finished.


          使用Log4J還是JDK logging API

          從JDK 1.4.0開始,引入了java.util.logging包。雖然Log4J小組曾竭力游說JCP(Java Community Process)采用Log4J作為JDK 1.4的“標準”日志API,雖然最終因Sun的日志API規范的負責人Graham Hamilton的一句“Merlin的開發已經到了最后階段,這時不允許再對主要API做出改變”而沒有被采納,但Log4J還是對新的日志API產生了重要影響。那么,我們到底應該采用Log4J還是java.util.logging包呢?下面僅對兩者做一簡單的比較。

          1. Log4J更加成熟,從1999年10月開始至今已經有3年的時間,并且已經在許多項目中有著成熟的應用。而JDK中的logging包是在1.4之后才引入的,并且不能運行于JDK 1.3之前的版本。Log4J則可以良好地運行于JDK 1.1之后的所有版本。

          2. Log4J已經被移植到多種環境下,包括log4c(C)、log4cpp(C++)、log4perl(Perl)、log4net(.net)等。在這些環境下,可以感受到幾乎一致的配置和使用方式。這是JDK中的logging API所不能比擬的。

          3. Log4J還具有更加強力的格式化系統,可以使記錄輸出時實現簡單的模式。但是,它不會增加類而導致格式化工具的擴展。眾多的附加程序和處理器使得Log4J數據包成為一個絕佳的選擇,所有你所需要的都可能加以實現。

          4. Log4J在性能上做了最大的優化。

          Logging API對于簡單的使用是足夠的,但它缺少了許多Log4J所具有的功能。所以,如果你需要一個強力的logging機制,就應堅持使用Log4J;而如果只是需要一些簡單的控制或文件記錄,那么可以使用已經內建在JDK之中的logging API。

          雖然Log4J和JDK logging API是一種競爭關系,但在logging API還在JCP中討論(JSR47)時,兩者之間就已經開始相互影響了。

          FAQ

          1. 如何讓Log4J使用指定的配置文件

          在啟動你的應用時植入系統屬性。例如,可以把上面的log4j.properties文件放到\properties的相對路徑下,并改名為log.properties,此時如果讓Log4J能夠找到這個配置文件并正確地初始化,需要這樣運行程序:

          D:\..\java -Dlog4j.configuration=. \properties\log.properties YourAppName


          為什么一定要使用系統屬性,而不在配置文件中指定呢?很顯然,如果把它寫入配置文件,那么,Log4J讀到它時已經遲了。

          2. 如何查看到Log4J的配置過程

          可以類似1中的那樣,設置系統屬性log4j.debug=true,從而打開Log4J的Verbose模式,此時會輸出Log4J的初始化過程,這樣就會對Log4J的啟動有一個更詳細的了解。下面是Log4J啟動信息的一個示例:

          log4j: Trying to find [log4j.xml] using context classloader 
          sun.misc.Launcher$AppClassLoader@92e78c.
          log4j: Trying to find [log4j.xml] using sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@9fbe93class 
          loader.
          log4j: Trying to find [log4j.xml] using ClassLoader.getSystemResource().
          log4j: Trying to find [log4j.properties] using context classloader 
          sun.misc.Launcher$AppClassLoader@92e78c.
          log4j: Using URL [file:/D:/java/logging/src/log4j.properties] for automatic log4j 
          configuration.
          log4j: Reading configuration from URL file:/E:/java/logging/src/log4j.properties
          log4j: Parsing for [root] with value=[DEBUG, A1].
          log4j: Level token is [DEBUG].
          log4j: Category root set to DEBUG
          log4j: Parsing appender named "A1".
          log4j: Parsing layout options for "A1".
          log4j: Setting property [conversionPattern] to [%d %l %-5p %c [%t] - %m%n].
          log4j: End of parsing for "A1".
          log4j: Parsed "A1" options.
          log4j: Finished configuring.
          ......  // 下面就是應用的日志信息,省略。

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