nexuslog 0.2.0

Fast async logger with Python bindings

NexusLog - 超高性能异步日志库

一个用 Rust 实现的超高速异步日志库，提供 Python 绑定。比标准 Python 日志快 33 倍，比 picologging 快 12 倍。

Note: 支持 Python 3.11 - 3.14。基准测试中的 picologging 目前仅支持到 Python 3.12。

性能基准

使用 1,000,000 条日志消息的基准测试结果：

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Logger               Time (s)     Msgs/sec        Log size    
------------------------------------------------------------
Python logging       5.141        194,517         81,888,890 bytes
picologging          1.950        512,691         80,888,880 bytes
NexusLogger          0.158        6,346,027       97,888,890 bytes
------------------------------------------------------------

✨ NexusLogger is 32.62x faster than Python logging
✨ NexusLogger is 12.38x faster than picologging

功能特性

• 🚀 极速性能 - 异步非阻塞日志记录
• 🔄 自动轮转 - 每日自动按日期轮转日志文件
• 🐍 Python 绑定 - 通过 PyO3 实现
• 📝 多日志级别 - Trace、Debug、Info、Warn、Error
• 🎯 零拷贝时间戳 - 线程本地缓存减少系统调用
• 💾 智能内存管理 - 小消息 inline 存储，避免堆分配
• 🔗 共享资源 - 多个日志实例自动复用底层 worker 线程

快速开始

Python 使用

from nexuslog import Logger, Level, basicConfig

# 可选：配置默认日志文件
basicConfig(log_file="/var/log/app.log")

# 创建日志实例
logger = Logger("my_app", path="/var/log/app", level=Level.Info)

# 记录日志
logger.info("Application started")
logger.debug("Debug message")
logger.warn("Warning message")
logger.error("Error occurred")

# 完成时关闭
logger.shutdown()

Rust 使用

use nexuslog::{init, info, error, Level};

fn main() {
    let mut handle = init("my_app", Some("logs/app"), Level::Info);
    
    info!("Application started");
    error!("An error occurred");
    
    handle.stop();
}

核心优化

1. 线程本地时间戳缓存

问题: 每次日志调用都需要获取系统时间，频繁的系统调用是瓶颈。

优化: 使用线程本地存储缓存时间戳，利用 std::time::Instant 进行增量计算。

thread_local! {
    static TS_CACHE: RefCell<ThreadTimestampCache> =
        RefCell::new(ThreadTimestampCache::new());
}

struct ThreadTimestampCache {
    base_instant: Instant,
    base_secs: u64,
    base_micros: u32,
}

// 仅在经过1秒后才重新调用系统时间
fn now(&mut self) -> Timestamp {
    let elapsed = self.base_instant.elapsed();
    if elapsed >= Duration::from_secs(1) {
        return self.refresh();  // 系统调用
    }
    // 增量计算时间戳
    let elapsed_micros = elapsed.as_micros() as u64;
    let total_micros = self.base_micros as u64 + elapsed_micros;
    Timestamp {
        secs: self.base_secs + (total_micros / 1_000_000),
        micros: (total_micros % 1_000_000) as u32,
    }
}

效果: 将时间戳获取从 O(系统调用) 降低到 O(1) 内存读取。

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2. ArrayString 内联存储

问题: 每条日志消息都需要堆分配，这会造成内存碎片和 GC 压力。

优化: 对于小消息（≤256 字符），在栈上使用 ArrayString 存储，避免堆分配。

const INLINE_MSG_CAP: usize = 256;

enum LogMessage {
    Inline(ArrayString<INLINE_MSG_CAP>),  // 栈存储
    Heap(String),                          // 仅大消息
}

// 在日志处理中
let msg = {
    let mut inline = ArrayString::<INLINE_MSG_CAP>::new();
    use std::fmt::Write as _;
    if write!(&mut inline, "{}", record.args()).is_ok() {
        LogMessage::Inline(inline)  // 成功内联
    } else {
        LogMessage::Heap(record.args().to_string())  // 降级到堆
    }
};

效果:

• 大多数日志消息（256 字符）避免堆分配
• 减少 GC 压力
• 更好的 CPU 缓存局部性

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3. 异步非阻塞架构

问题: 同步日志会阻塞应用线程等待 I/O 完成。

优化: 专用 worker 线程处理所有 I/O 操作，主线程仅负责将消息放入无锁队列。

pub struct Handle {
    tx: Sender<Action>,
    thread: Option<JoinHandle<()>>,
}

// 主线程 - 只是发送消息，立即返回
impl log::Log for Logger {
    fn log(&self, record: &Record) {
        let entry = LogEntry { /* ... */ };
        let _ = self.tx.send(Action::Write(entry));  // O(1) 无锁操作
    }
}

// Worker 线程 - 处理所有 I/O
fn worker<P: ToString + Send>(mut ctx: Context<P>) -> Result<(), std::io::Error> {
    loop {
        match ctx.rx.recv_timeout(timeout) {
            Ok(Action::Write(entry)) => {
                // 格式化、写入、轮转
            }
            Ok(Action::Flush) => {
                target.flush()?;
            }
            Ok(Action::Exit) => break,
            Err(RecvTimeoutError::Timeout) => {}
            Err(RecvTimeoutError::Disconnected) => break,
        }
    }
}

效果:

• 应用线程不阻塞
• 平均延迟 < 1 微秒
• 高并发下稳定性强

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4. 高效的跨线程通信

问题: Rust 标准库的 channel 可能在高吞吐量场景下有争用。

优化: 使用 crossbeam-channel 的有界 channel，容量为 65,536 条消息。

const CHANNEL_CAPACITY: usize = 65_536;

let (tx, rx) = crossbeam_channel::bounded(CHANNEL_CAPACITY);

优势:

• 比标准库 channel 更高效
• 容量足够应对短期突发
• 提供优雅的背压机制

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5. 时间戳格式缓存

问题: 每条消息都格式化时间戳字符串需要大量计算。

优化: 在 worker 线程中缓存已格式化的时间戳部分，每秒更新一次。

struct TimestampCache {
    last_secs: u64,
    year: i32,
    month: u32,
    day: u32,
    hour: u32,
    minute: u32,
    second: u32,
    time_prefix: String,      // 缓存格式化的时间前缀
    offset_prefix: String,    // 缓存时区和日志级别前缀
}

impl TimestampCache {
    fn update(&mut self, secs: u64) {
        if self.last_secs == secs {
            return;  // 同一秒内，直接使用缓存
        }
        // 仅在秒数改变时重新格式化
        self.time_prefix = format!(
            "time={:04}-{:02}-{:02}T{:02}:{:02}:{:02}.",
            self.year, self.month, self.day, self.hour, self.minute, self.second
        );
    }
}

// 使用缓存
let mut line = String::with_capacity(entry.msg().len() + 128);
line.push_str(&cache.time_prefix);      // O(1) 字符串拷贝
write!(&mut line, "{:06}", ts.micros)?; // 仅格式化微秒
line.push_str(&cache.offset_prefix);    // O(1) 字符串拷贝

效果: 减少每条消息的格式化成本约 80%。

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6. 自动日志轮转

问题: 日志文件会无限增长。

优化: Worker 线程自动按日期检测轮转，格式为 {path}_YYYYMMDD.log。

fn rotate<P: ToString + Send>(
    ctx: &Context<P>,
) -> Result<BufWriter<Box<dyn Write>>, std::io::Error> {
    match &ctx.path {
        Some(path) => {
            let postfix = ctx.date.format("_%Y%m%d.log").to_string();
            let path = path.to_string() + &postfix;
            let file = open_file(&path)?;
            Ok(BufWriter::with_capacity(1024 * 1024, Box::new(file)))
        }
        None => {
            let target = Box::new(std::io::stdout());
            Ok(BufWriter::with_capacity(1024 * 1024, target))
        }
    }
}

// 在 worker 中检测日期变化
if cache.date != ctx.date {
    ctx.date = cache.date;
    target = rotate(&ctx)?;  // 自动轮转到新文件
}

特性:

• 零手动配置
• 自动创建父目录
• 支持 stdout 和文件输出

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7. Python 共享资源管理

问题: 多个 Python Logger 实例创建多个 worker 线程会浪费资源。

优化: 使用全局注册表和弱引用实现资源共享。

fn registry() -> &'static Mutex<HashMap<PathKey, Weak<SharedWriter>>> {
    static REGISTRY: OnceLock<Mutex<HashMap<PathKey, Weak<SharedWriter>>>> = OnceLock::new();
    REGISTRY.get_or_init(|| Mutex::new(HashMap::new()))
}

fn shared_writer(path: Option<String>) -> Arc<SharedWriter> {
    let key = match path.clone() {
        Some(p) => PathKey::File(p),
        None => PathKey::Stdout,
    };

    let mut map = registry().lock().unwrap();
    if let Some(weak) = map.get(&key) {
        if let Some(writer) = weak.upgrade() {
            return writer;  // 复用现有 writer
        }
    }

    // 创建新的 writer
    let writer = Arc::new(SharedWriter::new(path));
    map.insert(key, Arc::downgrade(&writer));
    writer
}

优势:

• 同一个日志文件路径只有一个 worker 线程
• 自动清理无用资源
• 内存高效

# Python 代码示例
logger1 = Logger("app", path="/var/log/app")
logger2 = Logger("db", path="/var/log/app")
# 两者共享同一个底层 worker 线程和文件句柄！

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8. 带缓冲的文件写入

问题: 每条消息都直接写入文件会产生大量系统调用。

优化: 使用 BufWriter 缓冲写入，容量 1MB。

let capacity = 1024 * 1024;
Ok(BufWriter::with_capacity(capacity, Box::new(file)))

配合定时 flush:

let mut last_flush = Instant::now();
loop {
    // ... 处理消息 ...
    if last_flush.elapsed() >= Duration::from_secs(1) {
        last_flush = Instant::now();
        target.flush()?;  // 每秒 flush 一次
    }
}

效果: 将写入系统调用从每条消息 1 次降低到每秒约 1 次。

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性能对比分析

优化方式	Python logging	picologging	NexusLog
时间戳获取	每次系统调用	缓存（1秒）	线程本地缓存（1秒）
内存分配	每条消息堆分配	每条消息堆分配	ArrayString 内联
写入方式	同步阻塞	同步阻塞	异步非阻塞
线程模型	调用线程	调用线程	专用 worker
格式化	每次完整格式化	每次完整格式化	部分缓存
文件 I/O	每条消息系统调用	每条消息系统调用	缓冲 1MB
资源管理	独立实例	独立实例	共享 worker

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构建与安装

前置条件

• Rust 1.56+
• Python 3.11+
• pip 和 maturin

从源代码构建

# 克隆仓库
git clone https://github.com/river-walras/nexuslogger.git
cd nexuslog

# 构建 Python wheel
pip install maturin
maturin develop

# 或构建发布版本
maturin build --release

运行性能测试

# Python 基准测试
python benches/bench_python.py

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项目结构

nexuslog/
├── src/
│   └── lib.rs              # 核心 Rust 实现
├── python/
│   └── nexuslog/
│       ├── __init__.py     # Python 包入口
│       └── _logger.pyi     # 类型提示
├── benches/
│   ├── bench_python.py     # Python 基准测试
│   └── example.py          # 使用示例
├── Cargo.toml              # Rust 依赖
├── pyproject.toml          # Python 项目配置
└── README.md               # 本文件

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依赖

Rust

• chrono - 日期/时间处理
• crossbeam-channel - 高效的跨线程通信
• log - Rust 日志 facade
• pyo3 - Python 绑定
• arrayvec - 栈分配的向量/字符串

Python

• pyo3 >= 0.27.2
• Python >= 3.11

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API 文档

Python API

basicConfig(log_file=None, level=Level.Info)

配置全局日志设置。

参数:

• log_file (str, optional): 日志文件路径前缀
• level (Level, optional): 全局日志级别

Logger(name, path=None, level=Level.Info)

创建日志实例。

参数:

• name (str): 日志记录器名称，显示在每条日志中
• path (str, optional): 文件路径前缀。若为 None，输出到 stdout
• level (Level, optional): 最小日志级别

方法:

• trace(message) - 记录 trace 级别日志
• debug(message) - 记录 debug 级别日志
• info(message) - 记录 info 级别日志
• warn(message) - 记录 warn 级别日志
• error(message) - 记录 error 级别日志
• shutdown() - 关闭日志，刷新所有待写入消息

Level 枚举

• Level.Trace
• Level.Debug
• Level.Info
• Level.Warn
• Level.Error

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性能调优建议

1. 使用专用日志文件路径 - 减少文件打开次数
2. 合理设置日志级别 - 避免过多低级别日志
3. 批量日志写入 - 利用缓冲机制
4. 避免频繁调用 shutdown() - 在应用退出前调用一次即可

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注意事项

• 日志缓冲在 1 秒后自动 flush，确保消息最终会被写入
• 应用退出时调用 logger.shutdown() 以确保所有消息被正确写入
• 日志文件按天轮转，使用格式 {path}_YYYYMMDD.log
• 消息最大长度建议 < 65,536 字符（channel 容量）

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许可证

MIT License

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贡献

欢迎提交 Issues 和 Pull Requests！

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性能数据详解

为什么 NexusLog 这么快？

1. 系统调用优化 (>60% 性能提升)

   • 时间戳获取从每条消息 1 次系统调用降到 ~1/百万
   • 文件写入从每条消息 1 次系统调用降到 ~1/秒

2. 内存分配优化 (>20% 性能提升)

   • 避免 GC 暂停
   • 更好的缓存局部性

3. 异步架构 (>10% 性能提升)

   • 主线程不阻塞
   • 利用多核处理器

4. Rust vs Python (>90% 性能提升)

   • 零开销抽象
   • 编译时优化
   • 无 GC 暂停

基准测试环境

• 消息数: 1,000,000
• 消息大小: 平均 ~80 字符
• 并发度: 单线程
• 输出: 文件（每日轮转）

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常见问题

Q: NexusLog 支持多线程吗？ A: 是的。每个 Logger 实例在创建时都是线程安全的，多个线程可以同时调用同一个 logger。

Q: 日志会丢失吗？ A: 一般不会。异步 channel 有 65,536 条消息的缓冲。在极端情况下如果 channel 满了，消息会被丢弃（返回发送错误）。

Q: 可以自定义日志格式吗？ A: 当前版本格式固定为：time=YYYY-MM-DDTHH:MM:SS.MMMMMM±HH:MM level=LEVEL name=NAME msg="MESSAGE"。

Q: 性能数据如何重现？ A: 运行 python benches/bench_python.py 进行 Python 基准测试。