Linux筆記---策略模式與日志

1. 設計模式

設計模式是軟件開發中反復出現的問題的通用解決方案，它是一套套被反復使用、多數人知曉、經過分類編目的代碼設計經驗總結。

設計模式并非具體的代碼實現，而是針對特定問題的抽象設計思路和方法論。它描述了在特定場景下，如何組織類、對象、接口等元素，以解決常見的設計問題，比如如何降低代碼耦合度、提高復用性、增強可維護性等。

設計模式主要有以下幾個特點：

通用性：適用于不同的編程語言和應用場景，只要面臨相似的設計問題，就可以借鑒相應模式。
經驗性：是眾多開發者在長期實踐中總結出來的最佳實踐，經過了實踐的驗證。
抽象性：關注的是結構和交互關系，而非具體實現細節。

常見的設計模式分類（以經典的 GoF 設計模式為例）：

創建型模式：用于處理對象創建機制，如單例模式（保證一個類僅有一個實例）、工廠模式（隱藏對象創建的細節）、建造者模式（分步構建復雜對象）等。
結構型模式：關注類和對象的組合方式，如適配器模式（使不兼容的接口能一起工作）、裝飾器模式（動態給對象添加功能）、代理模式（為對象提供代理以控制訪問）等。
行為型模式：描述對象之間的交互和職責分配，如觀察者模式（對象狀態變化時通知依賴它的對象）、策略模式（封裝不同算法，可動態切換）、迭代器模式（提供遍歷集合的統一接口）等。

合理使用設計模式可以讓代碼更具可讀性、靈活性和可擴展性，尤其在大型項目開發中，能幫助團隊形成共識，提高協作效率。但需注意，設計模式并非銀彈，不應過度使用，而應根據實際問題選擇合適的模式。

2. 策略模式

策略模式（Strategy Pattern）是一種行為型設計模式，它定義了一系列算法（或行為），并將每個算法封裝起來，使它們可以相互替換。這種模式讓算法的變化獨立于使用算法的客戶端，從而實現了算法的靈活切換和復用。

當一個問題有多種解決方案（算法），且這些方案可能隨需求變化時，策略模式可以避免使用大量的if-else或switch語句，使代碼更清晰、易維護。

策略模式的核心思想是分離算法的定義與使用：

將不同的算法（策略）封裝成獨立的類
客戶端通過統一接口調用不同的策略，無需關心具體實現
可以在運行時動態切換策略，而不影響客戶端代碼。

策略模式通常包含三個核心角色：

環境類（Context）：持有策略對象的引用；提供接口給客戶端使用，本身不實現具體算法；負責在運行時切換策略。
抽象策略接口（Strategy）：定義所有具體策略類的公共接口；聲明算法的核心方法。
具體策略類（Concrete Strategy）：實現抽象策略接口，提供具體的算法實現；可以有多個不同的具體策略類。

簡單來說，環境類負責目標功能的大部分實現，而有多種策略可選的核心算法部分則交由具體策略類來實現。環境類包含抽象策略接口類的引用（或指針），指向具體策略類，環境類通過該引用或者指針來調用具體策略類提供的具體算法。

3. 用策略模式設計日志類

我們的目標是輸出如下格式的日志：

[2025-07-21 14:10:56] [DEBUG] [244601] [main.cpp] [11] - hello world!
[2025-07-21 14:10:56] [DEBUG] [244601] [main.cpp] [12] - hello world!
[2025-07-21 14:10:56] [DEBUG] [244601] [main.cpp] [13] - hello world![時間] [日志等級] [進程pid] [程序對應的源文件] [行數] - 日志信息

其中，日志等級最常見的劃分方法是分為五個等級：

enum class LogLevel
{DEBUG,    // 調試信息INFO,     // 普通信息WARNNING, // 警告ERROR,    // 錯誤(并未導致程序退出)FATAL     // 致命(導致程序退出)
};

將日志輸出到什么地方？這是日志類最核心的可選策略部分，據此我們可以確定以下設計：

環境類：Log日志類，負責日志信息的生成與封裝。
抽象策略接口：LogStrategy日志策略類，負責提供Write接口用于輸出日志。
具體策略類：實現Write接口，將日志輸出到不同的目的地。

3.1 日志策略類

class LogStrategy
{
public:virtual ~LogStrategy() = default;virtual void Write(const std::string &message) = 0;protected:MutexModule::mutex _mutex;
};

這里的互斥鎖是為了保證在多線程環境下的互斥輸出，避免各個線程輸出的日志之間相互雜糅。

3.2 具體策略類

// 控制臺輸出策略
class ConsoleStrategy : public LogStrategy
{
public:void Write(const std::string &message) override{MutexModule::LockGuard lockguard(_mutex);std::cout << message << std::endl;}
};// 文件輸出策略
class FileStrategy : public LogStrategy
{
public:explicit FileStrategy(const std::string &path = "./log/test.log"): _file(path, std::ios::app){if (!_file.is_open()){throw std::runtime_error("無法打開日志文件: " + path);}}void Write(const std::string &message) override{MutexModule::LockGuard lockguard(_mutex);_file << message << std::endl;}~FileStrategy(){_file.close();}private:std::ofstream _file;
};

3.3 日志類

首先我們要明確日志類的大致框架：

成員變量：指向策略對象的指針（抽象類無法實例化，只能用其指針指向具體策略類）。
構造函數：初始化策略對象指針，默認采用控制臺輸出策略。
成員函數：設置策略的接口，完成日志輸出的接口。

class Logger
{
public:// 構造時指定策略（默認控制臺輸出）explicit Logger(std::unique_ptr<LogStrategy> strategy = std::make_unique<ConsoleStrategy>()): _strategy(std::move(strategy)){}void SetStrategy(std::unique_ptr<LogStrategy> strategy){_strategy = move(strategy);}// 日志輸出接口void Log(){}private:std::unique_ptr<LogStrategy> _strategy;
};

接下來，就差日志輸出的接口需要完成，在使用時，我們希望能達到如下效果：

#include <iostream>
#include "log.hpp"
using namespace LogModule;int main()
{Logger logger;logger.Log(LogLevel::DEBUG, __FILE__, __LINE__) << "hello" << " world!";
}

也就是支持可變參數，并用流插入的形式傳參。為了實現這一點，我們需要設計一個內部類，作為Log函數的返回值。

這個內部類需要重載 " << " 操作符，并在析構函數當中，將拼接起來的日志輸出：

class Message
{
public:Message(LogLevel level, const std::string filename, int line, Logger &logger): _logger(logger){char buffer[128];sprintf(buffer, "[%s] [%s] [%d] [%s] [%d] - ",GetTimeStamp().c_str(), LevelToString(level).c_str(), getpid(), filename.c_str(), line);_loginfo = buffer;}template <typename T>Message &operator<<(const T &message){_loginfo += message;return *this;}~Message(){_logger._strategy->Write(_loginfo);}private:Logger &_logger;      // 引用外部logger類, 方便使用策略進行刷新std::string _loginfo; // 一條合并完成的，完整的日志信息
};

于是，我們可以這樣來設計Log函數：

Message Log(LogLevel level, const std::string filename, int line)
{return Message(level, filename, line, *this);
}

除此之外，為了使得日志輸出函數的使用更加方便，我們還可以提供仿函數接口：

Message operator()(LogLevel level, const std::string filename, int line)
{return Message(level, filename, line, *this);
}或者Message operator()(LogLevel level, const std::string filename, int line)
{return Log(level, filename, line);
}

3.4 使用宏來簡化操作

我們注意到在調用Log或者偽函數時，每次都傳入的后兩個參數是固定不變的；除此之外，SetStrategy接口每次調用也需要手動使用make_unique接口（或其他方式）。

于是，我們可以在頭文件當中直接定義一個Logger對象，并加入如下的宏：

Logger logger;
#define LOG(level) logger(level, __FILE__, __LINE__)
// 或者 #define LOG(level) logger.Log(level, __FILE__, __LINE__)
#define USE_CONSOLE_STRATEGY() logger.SetStrategy(std::make_unique<ConsoleStrategy>())
#define USE_FILE_STRATEGY() logger.SetStrategy(std::make_unique<FileStrategy>())

使用示例：

#include <iostream>
#include "log.hpp"
using namespace LogModule;int main()
{LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";USE_FILE_STRATEGY();LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";LOG(LogLevel::DEBUG) << "hello world!";
}

3.5 完整代碼

#pragma once
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <memory>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include "mutex.hpp"namespace LogModule
{class LogStrategy{public:virtual ~LogStrategy() = default;virtual void Write(const std::string &message) = 0;protected:MutexModule::mutex _mutex;};// 控制臺輸出策略class ConsoleStrategy : public LogStrategy{public:void Write(const std::string &message) override{MutexModule::LockGuard lockguard(_mutex);std::cout << message << std::endl;}};// 文件輸出策略（支持路徑和追加模式）class FileStrategy : public LogStrategy{public:explicit FileStrategy(const std::string &path = "./log/test.log"): _file(path, std::ios::app){if (!_file.is_open()){throw std::runtime_error("無法打開日志文件: " + path);}}void Write(const std::string &message) override{MutexModule::LockGuard lockguard(_mutex);_file << message << std::endl;}~FileStrategy(){_file.close();}private:std::ofstream _file;};enum class LogLevel{DEBUG,    // 調試信息INFO,     // 普通信息WARNNING, // 警告ERROR,    // 錯誤FATAL     // 致命};std::string GetTimeStamp(){time_t cur = time(nullptr);struct tm tinfo;localtime_r(&cur, &tinfo);char buffer[128];sprintf(buffer, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", 1900 +\tinfo.tm_year, tinfo.tm_mon, tinfo.tm_mday,tinfo.tm_hour, tinfo.tm_min, tinfo.tm_sec);return buffer;}std::string LevelToString(LogLevel level){switch (level){case LogLevel::DEBUG:return "DEBUG";case LogLevel::INFO:return "INFO";case LogLevel::WARNNING:return "WARNNING";case LogLevel::ERROR:return "ERROR";case LogLevel::FATAL:return "FATAL";default:return "UNKNOWN";}}class Logger{public:// 構造時指定策略（默認控制臺輸出）explicit Logger(std::unique_ptr<LogStrategy> strategy = std::make_unique<ConsoleStrategy>()): _strategy(std::move(strategy)){}void SetStrategy(std::unique_ptr<LogStrategy> strategy){_strategy = move(strategy);}class Message{public:Message(LogLevel level, const std::string filename, int line, Logger &logger): _logger(logger){char buffer[128];sprintf(buffer, "[%s] [%s] [%d] [%s] [%d] - ",GetTimeStamp().c_str(), LevelToString(level).c_str(), getpid(), filename.c_str(), line);_loginfo = buffer;}template <typename T>Message &operator<<(const T &message){_loginfo += message;return *this;}~Message(){_logger._strategy->Write(_loginfo);}private:Logger &_logger;      // 引用外部logger類, 方便使用策略進行刷新std::string _loginfo; // 一條合并完成的，完整的日志信息};Message Log(LogLevel level, const std::string filename, int line){return Message(level, filename, line, *this);}Message operator()(LogLevel level, const std::string filename, int line){return Log(level, filename, line);}private:std::unique_ptr<LogStrategy> _strategy;};Logger logger;#define LOG(level) logger.Log(level, __FILE__, __LINE__)#define USE_CONSOLE_STRATEGY() logger.SetStrategy(std::make_unique<ConsoleStrategy>())#define USE_FILE_STRATEGY() logger.SetStrategy(std::make_unique<FileStrategy>())
}