在web应用中增加跟踪功能 学习在多线程环境下 Apache Log4j 的 NDCMDC 开发.docx
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在web应用中增加跟踪功能学习在多线程环境下ApacheLog4j的NDCMDC开发
简介：
随着Web应用的复杂化，网站用户的操作过程也日益复杂，网站功能的多样化和交互性的提高为用户提供了多种可能的浏览路径。
为了改进用户的使用体验，有时也是为了模拟用户的操作过程以帮助用户解决使用中的问题，需要能在日志中识别某个用户在整个Session中所经历的操作过程，本文针对基于ApacheLog4J的Web应用，讨论如何利用NDC和MDC的机制，简单快捷的为Web应用日志增加用户跟踪的基础数据。
通过本文，读者可以学习到关于NDC和MDC的工作机制，以及如何利用他们在一个Web应用中记录用户在一个网站上的全部行为和操作过程，并可以直接使用文中的代码和思路，提高工作效率。
进行用户跟踪的重要性
随着Web应用的复杂化，用户在网站上的操作过程日益复杂。
网站功能的多样化和交互性的提高为用户提供了多种可能的浏览路径。
对于一个复杂的站点，用户在网站上操作的行为模式和操作习惯的分析，会给网站的优化提供基础的数据支持。
而从技术上要为这种分析提供支持，就需要记录下每个用户在网站上的操作过程。
另一方面，这种数据的记录也有助于解决用户在使用中出现的问题。
我们只要知道用户遇到问题的时间和一些基本信息，就可以从日志中查出此用户遇到问题时的操作过程，从而有助于再现用户的出错场景，进而帮助用户解决问题。
此外，网站用户的安全审计和分析用户特征的数据挖掘等工作也需要提供一个方法能对用户的网站操作进行跟踪和纪录。
通常Web应用的开发者会在开发过程中设置很多的跟踪点，在这些跟踪点向日志系统输出一些应用程序运行的信息，如果这些信息足够全面的话，开发者就可以利用他们猜测出程序如何处理的用户请求，以及可能遇到了什么问题。
但不幸的是，如果一个站点在设计阶段没有把用户跟踪作为系统必须解决的一个问题提出的话，这些日志很可能就只是开发者为满足系统调试的需要而设置的一些信息。
当用户访问量急剧增加的的时候，就会出现下面的问题。
在一个高访问量的Web应用中，经常要在同一时刻处理大量的用户请求。
Web服务器会为每一个请求分配一个线程，每一个线程都会向日志系统输入一些信息，通常日志系统都是按照时间顺序而不是用户顺序排列这些信息的，这些线程的交替运行会让所有用户的处理信息交错在一起，让人很难分辨出那些记录是同一个用户产生的。
另外，高可用性的网站经常会使用负载均衡系统平衡网络流量，这样一个用户的操作记录很可能会分布在多个Web服务器上，如果我们没有一种方法来标示一条记录是哪个用户产生的，从这众多的日志信息中筛选出对我们有用的东西将是一项艰巨的工作。
本文试图探讨的解决方案是建立在Log4J的基础上的，如果你的Web站点已经使用了Log4J作为日志系统的API接口，根据本文所介绍的方法，就可以很容易的在每一条日志上保存用户上下文信息，为用户跟踪保存基本的访问数据。
为了更清晰地介绍这种方法，我们先对Log4J以及NDC/MDC做个简单的介绍。
Log4J简介
Log4J主要构件
Log4J是Apache组织提供的一个日志组件,它设计了灵活的配置文件，利用它可以在不更改程序的情况下,通过修改配置文件来调控日志的输出。
下面是Log4J最主要的三大基本构件：
∙记录器（Loger）
对日志信息进行分类筛选。
通过指定优先级，控制程序中日志信息的输出：
高于优先级的日志可以被输出，低于优先级的日志则被忽略。
∙输出源（Appenders）
指定日志信息的输出设备。
Log4J目前支持的输出设备有以下几种：
oorg.apache.log4j.ConsoleAppender（控制台）
oorg.apache.log4j.FileAppender（文件）
oorg.apache.log4j.DailyRollingFileAppender（每天产生一个日志文件）
oorg.apache.log4j.RollingFileAppender（文件大小到达指定尺寸的时候产生一个新的文件）
oorg.apache.log4j.WriterAppender（将日志信息以流格式发送到任意指定的地方）
oorg.apache.log4j.SocketAppender（Socket）
oorg.apache.log4j.NtEventLogAppender（NT的EventLog）
oorg.apache.log4j.JMSAppender（电子邮件）
程序员也可以根据自己的需要定制Appenders，实现更复杂和更为方便实用的日志管理，比如把日志输入数据库，或者传输到统一的日志服务器，等等。
∙布局（Layouts）
指定日志输出的格式。
Log4J提供的Layout有以下几种：
oorg.apache.log4j.HTMLLayout（以HTML表格形式布局）
oorg.apache.log4j.PatternLayout（可以灵活地指定布局模式）
oorg.apache.log4j.SimpleLayout（包含日志信息的级别和信息字符串）
oorg.apache.log4j.TTCCLayout（包含日志产生的时间、线程、类别等等信息）
软件开发人员可以通过这三大构件，根据日志的类型和优先级进行记录，并且可以在程序运行时去控制日志信息输出的格式和往什么地方输出（控制台、日志文件）。
Log4J使用示例
下面是一个在Web应用中使用Log4J的简单例子。
第1步：
修改Web应用的web.xml文件
在Web应用的web.xml中指明Log4J的配置文件名称。
代码1.在web.xml中配置Log4J
……
log4j-init
mon.base.log4jInit
—下面的初始化参数指定log4j的配置文件为log4j.properties-->
log4j
/WEB-INF/log4j.properties
1
log4jServlet
mon.base.log4jServlet
0
……
第2步：
对Log4J进行配置
我们看到，在上面的配置中指定了Log4J的配置文件名为log4j.properties。
在这个文件中，我们可以通过对前文所述的Log4J的三大控件进行配置：
代码2.log4j.properties配置文件
#此项指定log4j本身不输出调试信息
log4j.debug=false
#设置记录器（logger）的输出信息的级别，并指定信息源appender,此例中，输出到JADEAandA1.
log4j.rootCategory=DEBUG,OPAL,A1
……
#信息源appender为每天产生一个日志文件
log4j.appender.OPAL=org.apache.log4j.DailyRollingFileAppender
#日志格式为灵活布局模式
log4j.appender.OPAL.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
#指定灵活布局模式下日志的格式
#%c输出所属类的全名
#%d输出日志时间其格式为可指定格式如%d{HH:
mm:
ss}等
#%n换行符
#%m输出代码指定信息，如info（“message”）,输出message
#%p输出日志的优先级，即FATAL,ERROR，INFO等
log4j.appender.OPAL.layout.ConversionPattern=%d%p%c-%m%n
第3步：
在Web应用的Java代码中使用Log4J
进行完上面两步的配置，我们就可以在Java程序中使用Log4J进行日志的输出。
首先读取Log4J配置信息，初始化Logger。
代码3.初始化Log4J
publicclasslog4jInitextendsHttpServlet{
publicvoidinit（）{
/*找到在web.xml中指定的log4j.properties文件并读取配置信息*/
Stringprefix=getServletContext（）.getRealPath（"/"）;
Stringfile=getInitParameter（"log4j"）;
System.out.println（"................log4jstart"）;
if（file!
=null）{
PropertyConfigurator.configure（prefix+file）;
}
}
}
然后在Java代码中就可以任意地使用Log4J进行日志输出。
代码4.在Web应用的Java代码中使用Log4J进行日志输出
publicclasslog4jServletextendsHttpServlet{
publicvoiddoGet（HttpServletRequestreq,HttpServletResponseres）
throwsIOException{
Loggerlogger=Logger.getLogger（log4jServlet.class）;
/*输出日志*/
logger.info（"EnteringdoGet@Log4jServlet."）;
/*更多的代码和日志输出*/
........
........
logger.info（"ExitingdoGet@Log4jServlet."）;
}
}
运行该Web应用后，当有客户机访问该Web应用时，就会得到应用程序输出的日志信息。
下面是以三个并发用户访问该Web应用的情况下，从打印出的日志中挑选出的上述相关日志信息：
图1.运行Web应用后输出的日志
在上面的例子中，我们看到，利用Log4J提供的功能，我们很方便地输出了程序的日志，但是同时也看到，这样的日志在多用户并发访问的情况下，特别是应用程序复杂且拥有大量并发访问用户的情况下，根本无法区分哪些日志是属于哪个用户的，这样就使得进行日志分析和用户跟踪变成一件非常困难的事情。
NDC介绍
NDC（NestedDiagnosticContext）是NeilHarrison在名为《PatternsforLoggingDiagnosticMessages》的书中提出的嵌套诊断环境的机制。
这种机制的提出，主要为了减少多线程的系统为每个客户单独记录日志的系统开销。
在过去，区分两个客户的日志输出的常用方法是单独为每个客户机实例化新类别，但该方法会增加类别数量，并增加日志记录的管理开销。
NeilHarrison提出的方法就是把用户的上下文信息放到嵌套式诊断环境（NDC）中。
NDC为每一个线程管理一个堆栈。
开发人员可以在代码中合适的位置嵌入简单的push和pop方法，用来维护堆栈。
通常push进堆栈的是可以唯一标示客户的上下文信息，如SessionID或者客户名称，IP地址等。
因为每个客户请求都会有单独的NDC堆栈，因此日志系统在输出的时候会根据每个线程找到对应的堆栈，并在输出日志的时候附加上堆栈内的信息。
开发人员就可以很容易的在日志中区分出各个不同客户所产生的日志条目。
Log4J从1.2起开始支持NDC，org.apache.log4j.NDC声明如下：
代码5.NDC声明代码
publicclassNDC{
//返回诊断堆栈的内容
publicstaticStringget（）;
//从堆栈的顶端删除一个元素
publicstaticStringpop（）;
//在堆栈顶端加入一个元素
publicstaticvoidpush（Stringmessage）;
//察看这个堆栈最顶层的元素，但不删除它
publicstaticStringpeek（）
//删除这个线程的堆栈内容
publicstaticvoidremove（）;
}
要注意的是，org.apache.log4j.NDC类中所有的方法都是静态的。
假设NDC日志输出功能被打开，每一次的日志请求，Log4J组件都会把当前线程的整个NDC堆栈内容输出在日志条目中。
这样的过程不需要开发人员写过多的代码，程序员只需要在代码中合适的地方通过push和pop方法将正确的信息放到NDC的堆栈中，然后通过修改Log4J的配置文件，指定用户标志信息输出的位置和格式，而原来Java代码中输出日志的代码不需要任何修改，就能够输出带有用户标志信息的日志。
在前面的Log4J使用示例部分，我们曾经讲过Log4J配置文件中相应的配置信息，其中PatternLayout的ConversionPattern用于程序员指定日志输出的格式。
要使用NDC的方式输出用户标志信息，只需要在PatternLayout的格式定义ConversionPattern中使用%x，就能在相应的位置上输出NDC存储的上下文信息。
具体的使用方法我们将在后面的在Web应用中添加用户跟踪部分进行介绍。
MDC介绍
MDC和NDC相似，也可以减少多线程的系统为每个客户单独记录日志的系统开销。
它同样是为每个线程建立一个独立的存储空间，开发人员可以根据需要把信息存入其中。
不同的是MDC使用Map的机制来存储信息，信息以key/value对的形式存储在Map中。
Log4J从1.3alpha版本开始提供对MDC的支持，org.apache.log4j.MDC声明如下：
代码6.MDC声明代码
publicclassMDC{
//清空map所有的条目。
publicstaticvoidclear（）;
//根据key值返回相应的对象
publicstaticobjectget（Stringkey）;
//返回所有的key值.
publicstaticEnumerationgetKeys（）;
//把key值和关联的对象，插入map中
publicstaticvoidput（Stringkey,Objectval）,
//删除key对应的对象
publicstaticremove（Stringkey）
}
MDC和NDC的使用方法也类似，区别只是在Log4J配置文件中，在通过PatternLayout的ConversionPattern来配置日志的格式的时候，需要使用%x{key}来输出相应的用户标志信息对象。
下面，我们通过具体的例子来说明如何在使用Log4J的Web应用中增加用户标志信息，达到进行用户跟踪的目的。
在开发中，对于使用NDC还是MDC的机制，要看具体的应用在处理上下文信息的时候，是采用堆栈式的还是Map式的方便。
下面我们以NDC为例进行说明。
在Web应用中添加用户跟踪
通常，开发人员会在系统的很多地方设置输出点，输出日志。
如果要全面的修改这些输出点使日志条目附加上所需的信息，是一件繁重的工作。
我们可以利用Servlet的filter来简化这项工作。
ServletsFilter是Servlet2.3规范中出现的，它能截取用户从客户端提交的请求，并在请求没有到达真正需要访问的资源前运行一个指定的类。
如果我们在这个类中实现NDC或MDC的功能，就可以大量简化日志修改的工作。
下面的清单显示了实现这种修改所需的三个步骤。
在这里，我们使用的是NDC，您也可以使用MDC实现相同的功能。
在下面的例子中，介绍如何在前面已有的Log4J使用示例的Web应用代码的基础上，通过为Web应用的Servlet增加一个filter的方法，将用户标志信息在filter中压入/弹出NDC堆栈，而不需要修改任何原来的Java程序中的输出日志的代码，使用起来非常简便。
第1步：
增加一个处理NDC堆栈信息的filter类
本例通过在filter中取得访问该Web应用的客户机的IP地址，用以唯一地标识客户。
您也可以和实际的应用程序代码相配合，使用更加人性化的方式来唯一标识客户，如取得Session中存储的客户名称等。
代码7.在filter中增加将用户标志信息放入NDC堆栈
packageis.dsw.base.filter;
importjavax.servlet.Filter;
importjavax.servlet.http.HttpServletRequest;
importjavax.servlet.http.HttpSession;
importorg.apache.log4j.NDC;
publicclassLog4jNdcFilterimplementsFilter{
publicvoiddoFilter（ServletRequestrequest,ServletResponseresponse,
FilterChainchain）throwsIOException,ServletException{
//获得客户的网络地址
Stringaddress=request.getRemoteAddr（）;
//把网络地址放入NDC中.那么在在layoutpattern中通过使用%x，就可在每条日之中增加网络地址的信息.
NDC.push（address）;
//继续处理其他的filter链.
chain.doFilter（req,res）;
//从NDC的堆栈中删除网络地址.
NDC.pop（）;
}
}
第2步：
修改Web应用的web.xml文件
我们需要修改Web应用的web.xml文件，对filter进行设置。
在代码8.修改web.xml文件，增加filter配置
……
NdcFilter
is.dsw.base.filter.Log4jNdcFilter
NdcFilter
/*
……
上述XML中的url-pattern元素与这个Web应用中的所有URL匹配。
如果只想应用于部分URL，可以相应地调整模式。
第3步：
修改Log4J的配置文件
需要对Log4J.properties文件的配置做一些改变，以便看到NDC上下文。
在NDC简介部分，我们曾经说过，%x表示会在每个日志行上打印当前NDC上下文。
我们对Log4J使用示例中的Log4J.properties配置文件进行如下修改，在PatternLayout的格式定义ConversionPattern中增加%x，将NDC堆栈中的信息在%x指定的位置上进行输出。
如下：
代码9.Log4J配置文件中修改PatternLayout的输出格式
log4j.appender.A1.layout.ConversionPattern=%d%p%c%x-%m%n
完成以上修改之后，每一条记录都会把我们在Filter中push进NDC堆栈的内容打印出来。
仍然以Log4J使用示例中的三个并发用户访问为例，我们可以得到如下的日志信息，和前面不使用NDC的方式下打印的日志信息相比较，可以看到在原来日志的基础上增加了客户机IP地址，这样可以很容易地区分不同的用户的信息，为我们进行日志分析和用户跟踪打下了很好的基础。
图2.应用NDC之后，运行Web应用后输出的日志
或许以上的描述已经让你了解到如何利用NDC和MDC的机制来记录某个用户的唯一标示，或者跟踪其他特定于应用的数据。
一旦这些用户标示的数据记入日志，则能很容易地利用其他工具将他们抽取出来，如grep。
如果我们自定义一个数据库的Appenders，把日志信息插入数据库的话，还能很容易的对这些数据进行统计和分析。
结论
Log4J提供了对NDC和MDC机制的支持，开发人员可以利用此机制为每条日志记录增加我们需要的内容。
本文通过在servlet的filter中合适的位置应用很少的代码，就可以修改整个应用的日志策略。
合理的善用本文所提到的机制，可以节省我们的工作量，也简化程序中日志的维护。
最终，客户可以获得更好的网络应用程序，遇到问题也能从技术支持团队得到迅速有效的响应。
值得注意的是，我们并不能保证本文所提出的用户跟踪方案可以完美地解决所有的问题。
如果读者希望采用本方案，请参考ApacheLog4J的文档以了解更多的信息。
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