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日志对于一个系统来说非常重要，查找异常信息、分析系统运行情况等都需要用到日志。所以无论是JDK还是第三方都提供了关于日志的相关工具，本文分别介绍以下几种工具，以及各种工具间的整合、原理。
- JDK的java.util.logging包
- 第三方日志工具（commons-logging/slf4j，log4j/logback）
JDK的java.util.logging包
JDK1.4引入了java.util.logging包，包中主要的类包括：Logger、LogManager、Handler、Formatter。首先看一段比较简单的示例代码：
package me.likeyao.jdk.logger;
import java.util.logging.Formatter;
import java.util.logging.Handler;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.LogRecord;
import java.util.logging.Logger;
public class JDKLoggerTest {
public static void main(String[] args) {
Logger logger = Logger.getLogger("logger");
logger.info("hello world");
Handler handler = new Handler() {
@Override
public void publish(LogRecord record) {
}
@Override
public void flush() {
}
@Override
public void close() throws SecurityException {
}
};
handler.setFormatter(new Formatter() {
@Override
public String format(LogRecord record) {
return null;
}
});
logger.setLevel(Level.INFO);
logger.log(Level.FINEST, "hello world");
}
}
通过Logger.getLogger(name)方法可以获取logger对象，logger对象有三个比较重要的概念：level、handler、formatter。level称为日志级别，在java.util.logging包中定义了java.util.logging.Level类，里面包含SEVERE/WARNING/INFO/CONFIG/FINE/FINER/FINEST（从高到低）7种日志级别。设置日志级别会过滤掉一部分日志，例如当日志级别设置为INFO级别时，CONFIG/FINE/FINER/FINEST级别的日志就会被忽略。handler解决的问题是日志输出到哪里，是到控制台（java.util.logging.ConsoleHandler），还是到文件（java.util.logging.FileHandler），或者是写到Socket中（java.util.logging.SocketHandler）。formatter定义了日志输出的格式，可以是XML（java.util.logging.XMLFormatter），也可以自己实现JSON格式的Fomatter。
logger对象是如何生成的
生成logger对象涉及到java.util.logging.LogManager类，LogManager中用到了单例模式，在static块中初始化了LoggerManager实例对象。生成logger对象的过程：
从图中可以看到，logger对象是在LoggerManager中创建的。LoggerManager中有一个叫userContext的LoggerContext对象，userContext缓存了所有的logger对象（缓存在namedLoggers中），并维护了一套logger对象的父子结构。namedLoggers的定义：
private final Hashtable<String,LoggerWeakRef> namedLoggers = new Hashtable<>();
LoggerWeakRef继承自java.lang.ref.WeakReference，namedLoggers并不直接持有logger对象，当持有logger的对象被垃圾回收之后，只有一个weekreference指向logger，方便垃圾回收logger对象。
JDK logger其他一些有意思的东西
- 有一个Logger.getLogger方法是两参数的，public static Logger getLogger(String name, String resourceBundleName)，第二个参数最终会变成java.util.ResourceBundle对象，可以用来做国际化。
- java.util.logging.Handler可以设置java.util.logging.Filter更灵活的过滤日志。
第三方日志工具（commons-logging/slf4j，log4j/logback）
首先把四个工具分成了两组，commons-logging/slf4j和log4j/logback。log4j/logback功能与java.util.logging包类似，提供实际的日志功能。commons-logging/slf4j是门面，作用是统一日志操作，屏蔽底层不同日志组件的差异。
commons-logging
commons-logging是apache的项目，使用commons-logging的代码：
package me.likeyao.java.logger;
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
public class JCLTest {
private static Log logger = LogFactory.getLog(JCLTest.class);
public static void main(String[] args) throws Exception {
logger.info("hello world");
}
}
代码中用到了commons-logging日志对象（org.apache.commons.logging.Log），日志对象工厂（org.apache.commons.logging.LogFactory）。前面有说过commons-logging是一个统一操作的门面，不涉及具体的日志功能，那日志对象是怎么产生的？查看Log对象的继承关系：
commons-logging分别为支持的日志工具提供了一个Log类的实现类，在列表中看到了Log4JLogger和Jdk14Logger等，意味着commons-logging可以log4j、java.util.logging组合使用。因为没有对应的logback实现，所以也就无法一起使用。下图解释commons-logging如何决定具体生成哪种Logger对象：
LogFactory在static块中初始化了HashTable对象factories，以ClassLoader为key，LogFactory为value缓存了所有LogFactory对象。主要看一下LogFactoryImpl的discoverLogImplementation方法是如何发现底层使用的日志工具（省略了方法一部分内容）：
private static final String[] classesToDiscover = {
LOGGING_IMPL_LOG4J_LOGGER, //org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger
"org.apache.commons.logging.impl.Jdk14Logger",
"org.apache.commons.logging.impl.Jdk13LumberjackLogger",
"org.apache.commons.logging.impl.SimpleLog"
};
private Log discoverLogImplementation(String logCategory)
...
Log result = null;
//查看commons-logging.properties和System.getProperty是否配置了org.apache.commons.logging.log
String specifiedLogClassName = findUserSpecifiedLogClassName();
if (specifiedLogClassName != null) {
...
//如果有配置，直接使用配置的类创建Log
result = createLogFromClass(specifiedLogClassName,
logCategory,
true);
...
return result;
}
...
//如果没有，遍历classesToDiscover数组，如果使用指定的ClassLoader Class.forName能加载到类，就创建Log对象
for(int i=0; i<classesToDiscover.length && result == null; ++i) {
result = createLogFromClass(classesToDiscover[i], logCategory, true);
}
if (result == null) {
throw new LogConfigurationException
("No suitable Log implementation");
}
return result;
}
整个初始化Log对象的流程：
commons-logging中的classloader
网上搜commons-logging，可以看到不少文章都是在讲关于classloader的问题，贴出比较详细的一篇的链接：《Taxonomy of class loader problems encountered when using Jakarta Commons Logging》。文章中用的commons-logging本版较老，这里用commons-logging-1.2+log4k-1.2.17模拟一种场景，看看新commons-logging有什么改变。代码：
package me.likeyao.java.logger;
import java.io.File;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;
public class JCLTest3 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//自定义classloader，模仿web容器classloader，自己加载优先
ChildClassLoader childClassLoader = new ChildClassLoader(
new URL[] { new File("c:/tmpclass/commons-logging-1.2.jar").toURL(),
new File("C:/respository3/log4j/log4j/1.2.17/log4j-1.2.17.jar").toURL()});
Thread.currentThread().setContextClassLoader(childClassLoader);
Log log = LogFactory.getLog(JCLTest3.class);
log.error("hello world");
}
}
class ChildClassLoader extends URLClassLoader {
public ChildClassLoader(URL[] urls) {
super(urls, ClassLoader.getSystemClassLoader());
}
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
Class c = findLoadedClass(name);
try{
c = findClass(name);
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
}catch(Exception e){
}
if (c == null) {
c = super.loadClass(name, resolve);
}
return c;
}
}
}
命令行执行：java -cp .;commons-logging-1.2.jar me.likeyao.java.logger.JCLTest3。输出结果：执行没有抛异常，日志是通过JDK java.util.logging打出来了，而不是log4j。
可以从代码中分析出为什么会产生这样的结果。这里用到了两种类加载器：系统类加载器（AppClassLoader）和自定义的ChildClassLoader，系统类加载器能加载到当前编译目录的class文件和commons-logging.jar，ChildClassLoader加载了commons-logging.jar和log4j.jar，线程上下文加载器被设置为ChildClassLoader。当运行java命令时，随着程序运行会使用系统类加载器加载Log类、LogFactory类，查看上面discoverLogImplementation方法源码，由于没有配置org.apache.commons.logging.log属性，具体使用哪个Log的实现类会通过遍历classesToDiscover数组决定。下面看一下classesToDiscover[0]时的情况：
private Log createLogFromClass(String logAdapterClassName, //org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger
String logCategory,
boolean affectState)
throws LogConfigurationException {
...
//通过logAdapterClassName所制定的类创建的对象，方法返回的结果
Log logAdapter = null;
...
//获取classloader，这里会返回ChildClassLoader，即main方法中设置的线程上下文加载器
ClassLoader currentCL = getBaseClassLoader();
for(;;) {
try {
...
Class c;
try {
//因为ChildClassLoader加载器可以获取到org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger类，正常得到c
c = Class.forName(logAdapterClassName, true, currentCL);
} catch (ClassNotFoundException originalClassNotFoundException) {
...
}
//创建org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger对象，这里o的classloader是ChildClassLoader
constructor = c.getConstructor(logConstructorSignature);
Object o = constructor.newInstance(params);
// 注意下面的注释，因为Log和o的类加载器不一致，所以不进入if分支
// Note that we do this test after trying to create an instance
// [rather than testing Log.class.isAssignableFrom(c)] so that
// we don't complain about Log hierarchy problems when the
// adapter couldn't be instantiated anyway.
if (o instanceof Log) {
logAdapterClass = c;
logAdapter = (Log) o;
break;
}
// Oops, we have a potential problem here. An adapter class
// has been found and its underlying lib is present too, but
// there are multiple Log interface classes available making it
// impossible to cast to the type the caller wanted. We
// certainly can't use this logger, but we need to know whether
// to keep on discovering or terminate now.
//
// The handleFlawedHierarchy method will throw
// LogConfigurationException if it regards this problem as
// fatal, and just return if not.
// 根据allowFlawedHierarchy参数判断是否抛出LogConfigurationException，如果不抛异常，只是简单return，进入下一个循环
handleFlawedHierarchy(currentCL, c);
} catch (NoClassDefFoundError e) {
...
break;
} catch (ExceptionInInitializerError e) {
...
break;
} catch (LogConfigurationException e) {
// call to handleFlawedHierarchy above must have thrown
// a LogConfigurationException, so just throw it on
throw e;
} catch (Throwable t) {
...
}
if (currentCL == null) {
break;
}
// try the parent classloader
// currentCL = currentCL.getParent();
currentCL = getParentClassLoader(currentCL);
}
...
return logAdapter;
}
classesToDiscover[0]的调用中，logAdapter并没有指向org.apache.commons.logging.impl.Log4JLogger对象，而是返回了null。所以进入下一次循环classesToDiscover[1]（org.apache.commons.logging.impl.Jdk14Logger），这一次因为Log类和org.apache.commons.logging.impl.Jdk14Logger类都是由系统类加载器加载，所以最终执行的结果日志由java.util.logging打出。commons-logging使用classloader来加载Resource和发现底层具体日志工具，在web容器或者OSGI这些需要用类加载器做隔离的情况下的确会出现一些问题。
SLF4J/LOG4J
另一种日志门面SLF4J，它采用“静态绑定”的方式避免了commons-logging中有关类加载的一些问题。下面的把SLF4J和LOG4J放到一起，首先还是比较简单的使用代码：
package me.likeyao.slf4j.logger;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
public class SLF4JTest {
public static void main(String[] args) {
Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SLF4JTest.class);
logger.error("hello world");
}
}
使用方式上看与commons-logging类似，除了类名上有一些区别。下图的是SLF4J整合LOG4J时Logger初始化时序图：
这里对几个类用了不同的颜色，蓝色代表类在slf4j-api包中，黄色代表类在slf4j-log4j12包中，红色代表类在log4j包中。相比commons-logging运行时通过classloader来发现底层日志工具，SLF4J是通过在不同的“桥梁包”里放置同名类org.slf4j.impl.StaticLoggerBinder来实现日志工具的绑定。例如，如果需要将SLF4J与java.util.logging整合，需要加入slf4j-jdk14-1.7.12，包中的StaticLoggerBinder类返回的loggerfactory是org.slf4j.impl.JDK14LoggerFactory；如果是SLF4J与log4j整合，需要加入slf4j-log4j12-1.7.12，包中的StaticLoggerBinder类返回的loggerfactory是org.slf4j.impl.Log4jLoggerFactory。这就是SLF4J的静态绑定。
LOG4J是常用的日志工具，与java.util.logging（jul）非常像，一些概念也是共通的。例如logger都是父子结构的、jul的handler对应log4j的appender、formater对应layout、也都存在filter。为了理清log4j中各个类的关系，整理一份类图：
整个类图的核心是org.apache.log4j.Category，但从1.2版本后log4j不会直接产生Category对象，而是Logger对象。Logger类继承自Category，扩展了一个日志级别：trace。当调用Logger对象的info/warn等方法时会生成一个LoggerEvent对象，AppenderAttachableImpl会遍历所有的appender调用doAppend方法。如果event没有被Filter过滤掉，那最终会经过Layout格式化，输出到appender指定的地方。LOG4J提供了很多appender供使用，这一点比JDK的hander强大很多。
Appender的初始化在LogManager的static块中进行，最终解析发生在org.apache.log4j.xml.DOMConfigurator类中，logger、root、appender都在这里解析。
if (tagName.equals(CATEGORY) || tagName.equals(LOGGER)) {
parseCategory(currentElement);
} else if (tagName.equals(ROOT_TAG)) {
parseRoot(currentElement);
} else if(tagName.equals(RENDERER_TAG)) {
parseRenderer(currentElement);
} else if(tagName.equals(THROWABLE_RENDERER_TAG)) {
if (repository instanceof ThrowableRendererSupport) {
ThrowableRenderer tr = parseThrowableRenderer(currentElement);
if (tr != null) {
((ThrowableRendererSupport) repository).setThrowableRenderer(tr);
}
}
} else if (!(tagName.equals(APPENDER_TAG)
|| tagName.equals(CATEGORY_FACTORY_TAG)
|| tagName.equals(LOGGER_FACTORY_TAG))) {
quietParseUnrecognizedElement(repository, currentElement, props);
}
LOGBACK
logback是log4j的一个替代品，初始化和打日志代码流程相似。为什么要从log4j切换到logback，logback网站上已经给出了（Reasons to prefer logback over log4j）。要使用SLF4J+logback需要引入三个包：slf4j-api、logback-core、logback-classic。这里和log4j对比，介绍一下两种日志工具的父子结构。无论是java.util.logging还是log4j/logback都为logger对象提供了父子结构，这样做有什么好处？我觉得主要是这样logger对象会有一个树形的层次结构，底层的logger可以复用父logger中的一些配置，比如日志级别，appender等。从log4j和logback的配置文件中，也可以看出这一点，通过为某个包名的logger指定appender和日志级别，可以作用所有这个包下的logger。例如：
<logger name="me.likeyao" additivity="false">
<level value="WARN" />
<appender-ref ref="CONSOLE" />
</logger>
log4j和logback在处理父子结构时有一些差别，先看log4j的代码：
synchronized(ht) {
Object o = ht.get(key);
if(o == null) {
logger = factory.makeNewLoggerInstance(name);
logger.setHierarchy(this);
ht.put(key, logger);
updateParents(logger);
return logger;
} else if(o instanceof Logger) {
return (Logger) o;
} else if (o instanceof ProvisionNode) {
//System.out.println("("+name+") ht.get(this) returned ProvisionNode");
logger = factory.makeNewLoggerInstance(name);
logger.setHierarchy(this);
ht.put(key, logger);
updateChildren((ProvisionNode) o, logger);
updateParents(logger);
return logger;
}
else {
// It should be impossible to arrive here
return null; // but let's keep the compiler happy.
}
}
log4j在创建logger时，如果父节点是一个logger，那只维护一个子logger对父logger的引用。如果父节点不存在，就创建一些ProvisionNode对象（这是一个Vector的子类），保存所有下面子的logger。举个例子：当获取名称为x.y.z的logger时，首先会创建logger(x.y.z)；然后查找父logger x.y，如果x.y不存在，就创建一个ProvisionNode对象，把logger(x.y.z)放到ProvisionNode对象中；然后继续向上搜索名称为x的logger，就将logger(x.y.z)的parent设置为logger(x)。当调用logger(x.y.z)对象的info/warn等方法时，如果logger(x.y.z)没有设置日志级别和appender，就是沿着parent向上搜索，直到rootLogger为止。
logback的结构稍微有一些区别，所有的节点都是Logger对象，对象中有指向parent和children的引用，并且创建节点时，会把parent的日志级别直接复制到自己对象中。
// if the desired logger does not exist, them create all the loggers
// in between as well (if they don't already exist)
String childName;
while (true) {
int h = LoggerNameUtil.getSeparatorIndexOf(name, i);
if (h == -1) {
childName = name;
} else {
childName = name.substring(0, h);
}
// move i left of the last point
i = h + 1;
synchronized (logger) {
childLogger = logger.getChildByName(childName);
if (childLogger == null) {
childLogger = logger.createChildByName(childName);
loggerCache.put(childName, childLogger);
incSize();
}
}
logger = childLogger;
if (h == -1) {
return childLogger;
}
}
总结
SL4J/COMMONS-LOGGING、LOG4J、LOGBACK、JUL都是常用的Java日志工具，基本思想都是通过Factory生成logger对象，然后由LogManager管理/缓存logger对象，同时维护一个父子结构方便复用配置。logger对象包含三要素：日志级别、输出到哪里、格式化。