采用生产者-消费者模型，通过无锁队列实现异步日志，主线程仅内存拷贝，日志线程批量写入文件，结合双缓冲与线程局部存储，降低延迟并提升吞吐。
实现一个高性能的 C++ 多线程日志库，核心目标是：低延迟、高吞吐、线程安全、异步写入、避免阻塞业务线程。下面是一个实用且可扩展的设计方案。
1. 异步日志系统架构
为了避免日志写入磁盘影响主线程性能，采用“生产者-消费者”模型：
- 生产者：各业务线程调用日志接口，将日志消息放入无锁队列。
- 消费者：单独的日志线程从队列中取出消息并写入文件。
这样主线程只需做一次内存拷贝或指针传递，不涉及 I/O 操作，极大降低延迟。
2. 无锁队列设计
使用无锁（lock-free）环形缓冲区（Ring Buffer）作为日志队列，提升多线程并发性能。
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推荐使用 boost::lockfree::spsc_queue（单生产者单消费者）或自己实现基于原子操作的 ring buffer。
关键点：
- 每个线程绑定一个日志生产队列，减少竞争。
- 或使用支持多生产者的无锁队列（如 boost::lockfree::queue）。
- 设置最大缓存条数，满时可丢弃或阻塞（根据场景选择）。
3. 日志格式化与缓冲优化
格式化本身较耗时，不能在主线程同步完成。
两种策略：
- 方案一：延迟格式化 —— 生产者只传递原始参数（如 format string + args），消费者线程完成格式化。需序列化参数，实现复杂但性能好。
- 方案二：预格式化 —— 生产者在线程局部缓冲区中快速格式化为字符串，再提交到队列。简单易实现，适合大多数场景。
建议使用 fmt 库 或 std::format（C++20）进行高效格式化。
4. 双缓冲机制（Double Buffering）
进一步减少内存分配和锁竞争。
原理：
- 准备两块缓冲区（A 和 B）。
- 日志线程写入 A 时，生产者写入 B。
- 当 B 满或定时刷新时，交换 A 和 B，日志线程处理新数据，旧缓冲清空重用。
结合线程局部存储（TLS），每个线程独占缓冲区，避免锁。
5. 日志级别与过滤
支持 DEBUG、INFO、WARN、ERROR 等级别，编译期或运行期控制输出。
在生产者端就进行级别过滤，避免无效入队。
示例：
if (level >= global_log_level) { // 进入日志流程 }6. 高效文件写入策略
日志线程写文件时注意：
- 使用带缓冲的文件流（如 setvbuf）。
- 累积一定条数或时间间隔（如每 10ms）批量写入，减少系统调用。
- 支持按大小滚动（log rolling）和按天分割。
- 考虑 mmap 写入（高级优化，跨平台性差）。
7. 性能关键技巧
- 避免动态内存分配：使用对象池管理日志记录对象。
- 使用 thread_local 缓冲区减少锁竞争。
- 时间戳预计算或缓存（高频日志中时间获取也耗时）。
- 启用编译优化，内联关键函数。
8. 简化示例结构
核心类设计：
- Logger：用户接口，提供 info()、error() 等方法。
- LogQueue：无锁队列，存放日志项。
- LogWriter：后台线程，消费日志并写文件。
- LogMessage：日志条目，包含级别、时间、内容等。
