异步日志通过分离记录与写入，利用无锁队列减少锁竞争，结合批量写入和内存优化，显著提升高并发下性能，主流库如spdlog、glog均采用此模式。
实现一个高性能的 C++ 日志库，关键在于减少日志操作对主业务线程的影响，避免锁竞争导致的性能瓶颈。异步日志结合无锁队列是一种被广泛采用的高效方案，能够显著提升高并发场景下的日志写入性能。
异步日志的基本架构
异步日志的核心思想是将日志的“记录”和“写入文件”分离。应用程序线程只负责把日志消息快速推送到队列中，由独立的后台线程从队列取出消息并执行实际的 I/O 操作。
这样做的好处是：
- 主线程几乎不参与磁盘 I/O，响应更快
- 日志写入可以批量处理，减少系统调用次数
- 通过队列缓冲应对突发日志流量
使用无锁队列避免线程阻塞
传统多生产者多消费者场景下常用互斥锁保护共享队列，但在高并发时容易成为性能瓶颈。无锁队列（Lock-Free Queue）利用原子操作实现线程安全，能有效降低争抢开销。
立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；
一个高效的实现方式是使用基于环形缓冲（circular buffer）的单生产者单消费者或多生产者单消费者无锁队列。例如：
- boost::lockfree::spsc_queue：单生产者单消费者无锁队列，性能极高
- 自研 CAS（Compare-And-Swap）循环实现的多生产者队列
- 采用缓存行对齐（cache line padding）防止伪共享（false sharing）
示例简化结构：
class LogQueue {
std::unique_ptr buffer;
std::atomic head; // 生产者推进
std::atomic tail; // 消费者推进
public:
bool push(const char* msg, size_t len) {
size_t h = head.load();
size_t next_h = (h + len + sizeof(size_t)) % BUFFER_SIZE;
if (next_h >= tail.load()) return false; // 队列满
if (head.compare_exchange_weak(h, next_h)) {
*reinterpret_cast(buffer.get() + h) = len;
memcpy(buffer.get() + h + sizeof(size_t), msg, len);
return true;
}
return false; // 重试
} };
日志格式化与内存管理优化
为了进一步提升性能，应在生产者端尽可能减少动态内存分配和耗时操作：
- 使用对象池（object pool）或内存池管理日志消息缓冲区
- 在栈上完成日志格式化，再拷贝进队列
- 支持可变参数模板 + constexpr 解析格式字符串，避免运行时解析开销
- 采用 RAII 包装日志宏，自动记录时间、线程 ID、文件行号等信息
典型宏定义示例：
#define LOG_INFO(fmt, ...) \
do { \
Logger::instance().log(LogLevel::INFO, __FILE__, __LINE__, fmt, ##__VA_ARGS__); \
} while(0)
后台写入线程的设计要点
消费线程应具备以下特性以保证高效稳定：
- 空闲时适当休眠或使用事件通知机制（如条件变量或 eventfd）唤醒
- 支持定时刷新（如每 10ms 或队列达到阈值）以平衡延迟与吞吐
- 当日志量过大导致队列满时，提供丢弃策略（如丢弃调试日志）或告警机制
- 支持滚动文件输出（按大小或时间切分）和压缩归档
基本上就这些。高性能日志库的关键不是功能多全，而是路径够短、干扰够少。异步 + 无锁 + 批量写入构成了现代 C++ 高性能日志的主流模式，像 spdlog、glog 内部都采用了类似设计思路。自己实现时注意边界情况和内存可见性即可。
