PHP并发IO编程之路

Posted 2021-03-13 一株草

并发 IO 问题一直是服务器端编程中的技术难题，从最早的同步阻塞直接 Fork 进程，到 Worker 进程池/线程池，到现在的异步IO、协程。php 程序员因为有强大的 LAMP 框架，对这类底层方面的知识知之甚少，本文目的就是详细介绍 PHP 进行并发 IO 编程的各种尝试，最后再介绍 Swoole 的使用，深入浅出全面解析并发 IO 问题。

多进程/多线程同步阻塞

最早的服务器端程序都是通过多进程、多线程来解决并发IO的问题。进程模型出现的最早，从 Unix 系统诞生就开始有了进程的概念。最早的服务器端程序一般都是 Accept 一个客户端连接就创建一个进程，然后子进程进入循环同步阻塞地与客户端连接进行交互，收发处理数据。

多线程模式出现要晚一些，线程与进程相比更轻量，而且线程之间是共享内存堆栈的，所以不同的线程之间交互非常容易实现。比如聊天室这样的程序，客户端连接之间可以交互，比聊天室中的玩家可以任意的其他人发消息。用多线程模式实现非常简单，线程中可以直接向某一个客户端连接发送数据。而多进程模式就要用到管道、消息队列、共享内存，统称进程间通信（IPC）复杂的技术才能实现。

  $serv = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:8080",$errno,$errstr);
  while(1){
     $conn = stream_socket_accept($serv);
     if(pcntl_fork()==0){//子进程
       $content = fread($conn,1024); 
       echo $content;
       echo  PHP_EOL;
       $str="sdjifdsjfisdjfdsif";
       fwrite($conn,$str);
       fclose($conn);
       exit(0);
     }
  }

多进程/线程模型的流程是

1. 创建一个 socket，绑定服务器端口（bind），监听端口（listen），在PHP中用stream_socket_server一个函数就能完成上面3个步骤，当然也可以使用更底层的sockets扩展分别实现。
2. 进入while循环，阻塞在accept操作上，等待客户端连接进入。此时程序会进入睡眠状态，直到有新的客户端发起connect到服务器，操作系统会唤醒此进程。accept函数返回客户端连接的socket
3. 主进程在多进程模型下通过fork（php: pcntl_fork）创建子进程，多线程模型下使用pthread_create（php: new Thread）创建子线程。下文如无特殊声明将使用进程同时表示进程/线程。
4. 子进程创建成功后进入while循环，阻塞在recv（php: fread）调用上，等待客户端向服务器发送数据。收到数据后服务器程序进行处理然后使用send（php: fwrite）向客户端发送响应。长连接的服务会持续与客户端交互，而短连接服务一般收到响应就会close。
5. 当客户端连接关闭时，子进程退出并销毁所有资源。主进程会回收掉此子进程。

 

这种模式最大的问题是，进程/线程创建和销毁的开销很大。所以上面的模式没办法应用于非常繁忙的服务器程序。对应的改进版解决了此问题，这就是经典的 Leader-Follower 模型

$serv = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:8080",$errno,$errstr);
for($i=0;$i<10;$i++){
  if(pcntl_fork() == 0 ){
    while(1){
       $conn = stream_socket_accept($serv);
       if($conn == false){
         continue;
        }   
       $content = fread($conn,2048);
       echo $content;
        echo PHP_EOL;
        $str="this is testdata";
       fwrite($conn,$str);
    }   
    exit(0);
  }
}

它的特点是程序启动后就会创建N个进程。每个子进程进入 Accept，等待新的连接进入。当客户端连接到服务器时，其中一个子进程会被唤醒，开始处理客户端请求，并且不再接受新的TCP连接。当此连接关闭时，子进程会释放，重新进入 Accept ，参与处理新的连接。

这个模型的优势是完全可以复用进程，没有额外消耗，性能非常好。很多常见的服务器程序都是基于此模型的，比如 Apache 、PHP-FPM。

多进程模型也有一些缺点。

1. 这种模型严重依赖进程的数量解决并发问题，一个客户端连接就需要占用一个进程，工作进程的数量有多少，并发处理能力就有多少。操作系统可以创建的进程数量是有限的。
2. 启动大量进程会带来额外的进程调度消耗。数百个进程时可能进程上下文切换调度消耗占CPU不到1%可以忽略不计，如果启动数千甚至数万个进程，消耗就会直线上升。调度消耗可能占到 CPU 的百分之几十甚至 100%。

另外有一些场景多进程模型无法解决，比如即时聊天程序（IM），一台服务器要同时维持上万甚至几十万上百万的连接（经典的C10K问题），多进程模型就力不从心了。

还有一种场景也是多进程模型的软肋。通常Web服务器启动100个进程，如果一个请求消耗100ms，100个进程可以提供1000qps，这样的处理能力还是不错的。但是如果请求内要调用外网Http接口，像QQ、微博登录，耗时会很长，一个请求需要10s。那一个进程1秒只能处理0.1个请求，100个进程只能达到10qps，这样的处理能力就太差了。

有没有一种技术可以在一个进程内处理所有并发IO呢？答案是有，这就是IO复用技术

O复用/事件循环/异步非阻塞

其实IO复用的历史和多进程一样长，Linux很早就提供了 select 系统调用，可以在一个进程内维持1024个连接。后来又加入了poll系统调用，poll做了一些改进，解决了 1024 限制的问题，可以维持任意数量的连接。但select/poll还有一个问题就是，它需要循环检测连接是否有事件。这样问题就来了，如果服务器有100万个连接，在某一时间只有一个连接向服务器发送了数据，select/poll需要做循环100万次，其中只有1次是命中的，剩下的99万9999次都是无效的，白白浪费了CPU资源。

直到Linux 2.6内核提供了新的epoll系统调用，可以维持无限数量的连接，而且无需轮询，这才真正解决了 C10K 问题。现在各种高并发异步IO的服务器程序都是基于epoll实现的，比如nginx、Node.js、Erlang、Golang。像 Node.js 这样单进程单线程的程序，都可以维持超过1百万TCP连接，全部归功于epoll技术。

IO复用异步非阻塞程序使用经典的Reactor模型，Reactor顾名思义就是反应堆的意思，它本身不处理任何数据收发。只是可以监视一个socket句柄的事件变化

 

 

Reactor有4个核心的操作：

1. add添加socket监听到reactor，可以是listen socket也可以使客户端socket，也可以是管道、eventfd、信号等
2. set修改事件监听，可以设置监听的类型，如可读、可写。可读很好理解，对于listen socket就是有新客户端连接到来了需要accept。对于客户端连接就是收到数据，需要recv。可写事件比较难理解一些。一个SOCKET是有缓存区的，如果要向客户端连接发送2M的数据，一次性是发不出去的，操作系统默认TCP缓存区只有256K。一次性只能发256K，缓存区满了之后send就会返回EAGAIN错误。这时候就要监听可写事件，在纯异步的编程中，必须去监听可写才能保证send操作是完全非阻塞的。
3. del从reactor中移除，不再监听事件
4. callback就是事件发生后对应的处理逻辑，一般在add/set时制定。C语言用函数指针实现，JS可以用匿名函数，PHP可以用匿名函数、对象方法数组、字符串函数名。

Reactor只是一个事件发生器，实际对socket句柄的操作，如connect/accept、send/recv、close是在callback中完成的。具体编码可参考下面的伪代码

Reactor模型还可以与多进程、多线程结合起来用，既实现异步非阻塞IO，又利用到多核。目前流行的异步服务器程序都是这样的方式：如

• Nginx：多进程Reactor
• Nginx+Lua：多进程Reactor+协程
• Golang：单线程Reactor+多线程协程
• Swoole：多线程Reactor+多进程Worker