Python全链路日志追踪-支持协程和多线程

一、需求背景

在WEB服务中，查看日志是排查和定位问题的主要方法。然而，在面对大量日志时，使用常规搜索来定位问题通常是相当麻烦的。由于不同用户、不同进程、不同线程、不同协程的日志都混在一起输出，很难筛选出与特定请求相关的日志。我们只能依靠请求时间、进程号和线程号等信息逐步进行排查，缺乏统一的流水号。

二、解决思路

为了更好地追踪每个请求的相关日志，我们可以在WEB服务中引入一个唯一的UUID标识符（称为traceid）来标识每个请求。这样一来，无论是不同用户、不同进程、不同线程还是不同协程，我们都可以通过这个traceid来关联和追踪与该请求相关的所有日志，并且无需改动业务代码。

为了实现这个目标，我们可以对日志打印模块进行扩展，在所有的日志中统一加入traceid进行标识。这样，当排查问题时，我们可以根据特定的traceid来筛选出与该请求相关的日志信息，从而更方便地定位和解决问题。

三、实现方案

1. 利用contextvars实现管理上下文变量

Python 3.7 的时候引入了一个模块：contextvars，从名字上很容易看出它指的是上下文变量（Context Variables），所以在介绍 contextvars 之前我们需要先了解一下什么是上下文（Context）。

Context 是一个包含了相关信息内容的对象，举个例子："比如一部 13 集的动漫，你直接点进第八集，看到女主角在男主角面前流泪了"。相信此时你是不知道为什么女主角会流泪的，因为你没有看前面几集的内容，缺失了相关的上下文信息。

所以 Context 并不是什么神奇的东西，它的作用就是携带一些指定的信息，可用于管理、存储和访问上下文相关的状态。

重要： contextvars 上下文变量应该在顶级模块中创建，且永远不要在闭包中创建。 Context 对象拥有对上下文变量的强引用，这可以让上下文变量被垃圾收集器正确回收。

import contextvars
trace_id_context = contextvars.ContextVar('traceId', default="defaultTraceId")

2. 自定义WEB中间件

中间件可以理解为是介于 HttpRequest 与 HttpResponse 处理之间的一道处理过程。可以是请求中间件也可以是响应中间件，其处理逻辑大致如下：

HttpRequest -> Middleware -> View -> Middleware -> HttpResponse

1. 请求 request
2. 执行 request 处理前的中间件
3. 执行 request 业务逻辑
4. 接收 response
5. 执行 response 返回前的中间件
6. 返回 response

所以我们可以在步骤 2 中设置上下文变量 traceId 的值。

• FastAPI：在函数顶部使用装饰器 @app.middleware("http")，即可创建中间件。
• Flask：在函数顶部使用装饰器 @app.before_request，即可创建中间件。
• Django：在settings.MIDDLEWARE中添加中间件, 类继承MiddlewareMixin并重写process_request方法。

3. 扩展日志组件

我们可以在日志配置的formatters中添加一个名为"traceId"的关键字，以便在每条输出的日志中显示请求的唯一标识。通过设置logging.Filter，我们可以确保每次记录日志时都会自动添加traceId信息。

 "formatters": {
    "verbose": {
        "format": "[%(asctime)s][%(levelname)s][%(traceId)s][%(filename)s][%(funcName)s:%(lineno)d][p:%(process)d][t:%(thread)d]: %(message)s",
        "datefmt": "%Y-%m-%d %H:%M:%S"
    }
}

4. 多线程优化

当使用多线程时，子线程无法直接访问主线程的上下文变量。但我们可以通过以下逻辑将主线程的上下文变量传递给子线程，以便子线程也能够拥有主线程的上下文变量：

1. 在创建子线程之前，获取主线程的上下文变量。
2. 将主线程的上下文变量作为参数传递给子线程的函数或方法。
3. 在子线程中，接收传递的参数，并将其保存到子线程的局部变量中。
4. 子线程即可在自己的上下文中使用这些拷贝的主线程的上下文变量。

具体实现可以通过继承ThreadPoolExecutor类并重写submit和map方法来在线程启动前执行初始化操作，即设置上下文变量traceId的值，通过这种方式，在每个子线程启动之前，都会先执行初始化操作，从而达到传递traceId的目的，需要注意的是，重写submit和map方法时，要确保不影响原有的逻辑。

5. 展示效果

已运用到实际生产项目中，web服务中同一个http请求下的所有日志都是同一个流水号，支持协程和异步多线程。

6. 代码实现(关#注#同#名#V)