为何把日志打印到控制台很慢? - 颇忒脱 - SegmentFault 思否
在 容器打印日志到控制台阻塞的排障的时候看到一个观点:
把日志打印到控制台要比打印到文件慢,而且是非常慢。
log4j2和logback的两个issue官方也提到了这一点(见 LOG4J2-2239、 LOGBACK-1422)。
那么为何输出到控制台慢?有何办法加速呢?问题要从三个角度来分别回答:
- linux的
stdout
角度 - Java程序角度
- docker容器角度
stdout
角度
写到控制台其实就是写到 stdout
,更严格的说应该是 fd/1
。Linux操作系统将 fd/0
、 fd/1
和 fd/2
分别对应 stdin
、 stdout
和 stdout
。
那么问题就变成为何写到 stdout
慢,有何优化办法?
造成 stdout
慢的原因有两个:
- 你使用的终端会拖累
stdout
的输出效率 -
stdout
的缓冲机制
在SO的这个问题中: Why is printing to stdout so slow? Can it be sped up?,这回答提到 打印到stdout慢是因为终端的关系,换一个快速的终端就能提升。这解释了第一个原因。
stdout
本身的缓冲机制是怎样的? Stdout Buffering介绍了glibc对于stdout缓冲的做法:
- 当
stdout
指向的是终端的时候,那么它的缓冲行为是line-buffered
,意思是如果缓冲满了或者遇到了newline字符,那么就flush。 - 当
stdout
没有指向终端的时候,那么它的缓冲行为是fully-buffered
,意思是只有当缓冲满了的时候,才会flush。
其中缓冲区大小是4k。下面是一个总结的表格“
GNU libc (glibc) uses the following rules for buffering”:
Stream | Type | Behavior |
---|---|---|
stdin | input | line-buffered |
stdout (TTY) | output | line-buffered |
stdout (not a TTY) | output | fully-buffered |
stderr | output | unbuffered |
那也就是说当 stdout
指向一个终端的时候,它采用的是 line-buffered
策略,而终端的处理速度直接影响到了性能。
同时也给了我们另一个思路,不将 stdout
指向终端,那么就能够用到 fully-buffered
,比起 line-buffered
能够带来更大提速效果(想想极端情况下每行只有一个字符)。
我写了一段小代码来做测试( gist)。先试一下 stdout
指向终端的情况:
$ javac ConsolePrint.java
$ java ConsolePrint 100000
...
lines: 100,000
System.out.println: 1,270 ms
file: 72 ms
/dev/stdout: 1,153 ms
代码测试了三种用法:
-
System.out.println
指的是使用System.out.println
所花费的时间 -
file
指的是用4k BufferedOutputStream 写到一个文件所花费的时间 -
/dev/stdout
则是同样适用4k BufferedOutputStream 直接写到/dev/stdout
所花费的时间
发现写到文件花费速度最快,用 System.out.println
和写到 /dev/stdout
所花时间在一个数量级上。
如果我们将输出重定向到文件:
$ java ConsolePrint 100000 > a
$ tail -n 5 a
...
System.out.println: 920 ms
file: 76 ms
/dev/stdout: 31 ms
则会发现 /dev/stdout
速度提升到 file
一个档次,而 System.out.println
并没有提升多少。之前不是说 stdout
不指向终端能够带来性能提升吗,为何 System.out.println
没有变化呢?这就要Java对于 System.out
的实现说起了。
Java程序角度
下面是 System
的源码:
public final static PrintStream out = null;
...
private static void initializeSystemClass() {
FileOutputStream fdOut = new FileOutputStream(FileDescriptor.out);
setOut0(newPrintStream(fdOut, props.getProperty("sun.stdout.encoding")));
}
...
private static native void setOut0(PrintStream out);
...
private static PrintStream newPrintStream(FileOutputStream fos, String enc) {
...
return new PrintStream(new BufferedOutputStream(fos, 128), true);
}
可以看到 System.out
是 PrintStream
类型,下面是 PrintStream
的源码:
private void write(String s) {
try {
synchronized (this) {
ensureOpen();
textOut.write(s);
textOut.flushBuffer();
charOut.flushBuffer();
if (autoFlush && (s.indexOf('\n') >= 0))
out.flush();
}
} catch (InterruptedIOException x) {
Thread.currentThread().interrupt();
} catch (IOException x) {
trouble = true;
}
}
可以看到:
-
System.out
使用的缓冲大小仅为128字节。大部分情况下够用。 -
System.out
开启了autoFlush,即每次write都会立即flush。这保证了输出的及时性。 -
PrintStream
的所有方法加了同步块。这避免了多线程打印内容重叠的问题。 -
PrintStream
如果遇到了newline符,也会立即flush(相当于line-buffered
)。同样保证了输出的及时性。
这解释了为何 System.out
慢的原因,同时也告诉了我们就算把 System.out
包到BufferedOutputStream里也不会有性能提升。
Docker容器角度
那么把测试代码放到Docker容器内运行会怎样呢?把gist里的Dockerfile和ConsolePrint.java放到同一个目录里然后这样运行:
$ docker build -t console-print .
$ docker run -d --name console-print console-print 100000
$ docker logs --tail 5 console-print
...
lines: 100,000
System.out.println: 2,563 ms
file: 27 ms
/dev/stdout: 2,685 ms
可以发现 System.out.println
和 /dev/stdout
的速度又变回一样慢了。因此可以怀疑 stdout
使用的是 line-buffered
模式。
为何容器内的 stdout
不使用 fully-buffered
模式呢?下面是我的两个猜测:
- 不论你是
docker run -t
分配tty
启动,还是docker run -d
不非配tty启动,docker都会给容器内的stdout
分配一个tty
。 - 因为docker的logging driver都是以“行”为单位收集日志的,那么这个
tty
必须是line-buffered
。
虽然 System.out.println
很慢,但是其吞吐量也能够达到~40,000 lines/sec,对于大多数程序来说这不会造成瓶颈。