CGI 和 FastCGI 协议的运行原理

Posted 2021-01-14 itbsl

目录

• 介绍
• 深入CGI协议
  • CGI的运行原理
  • CGI协议的缺陷
• 深入FastCGI协议
  • FastCGI协议运行原理
  • 为什么是 FastCGI 而非 CGI 协议
  • CGI 与 FastCGI 架构
  • 再看 FastCGI 协议
  • Web 服务器和 FastCGI 交互过程
  • 为什么需要在消息头发送 RequestID 这个标识？
• PHP-FPM

介绍

在用php开发的过程中，我们常常使用nginx或者Apache作为我们的Web服务器。但是PHP是如何与这些Web服务器通信的呢？

• Apache把PHP作为一个模块集成到Apache进程(httpd)运行,这种mod_php的运行模式与PHP-CGI没有任何关系。

• Nginx是通过FastCGI来实现与PHP的通信。

要谈FastCGI就必须先说说CGI。那什么是CGI？

CGI(Common Gateway Interface:通用网关接口)是Web 服务器运行时外部程序的规范,按CGI 编写的程序可以扩展服务器功能。CGI 应用程序能与浏览器进行交互,还可通过数据库API 与数据库服务器等外部数据源进行通信,从数据库服务器中获取数据。--百度百科

CGI协议同 HTTP 协议一样是一个「应用层」协议，它的 功能 是为了解决 Web 服务器与 PHP 应用（或其他 Web 应用）之间的通信问题。

既然它是一个「协议」，换言之它与语言无关，即只要是实现类 CGI 协议的应用就能够实现相互的通信。

深入CGI协议

我们已经知道了 CGI 协议是为了完成 Web 服务器和应用之间进行数据通信这个问题。那么，这一节我们就来看看究竟它们之间是如何进行通信的。

简单来讲 CGI 协议它描述了 Web 服务器和应用程序之间进行数据传输的格式，并且只要我们的编程语言支持标准输入（STDIN）、标准输出（STDOUT）以及环境变量等处理，你就可以使用它来编写一个 CGI 程序。

CGI的运行原理

• 当用户访问我们的 Web 应用时，会发起一个 HTTP 请求。最终 Web 服务器接收到这个请求。

• Web 服务器创建一个新的 CGI 进程。在这个进程中，将 HTTP 请求数据已一定格式解析出来，并通过标准输入和环境变量传入到 URL 指定的 CGI 程序（PHP 应用 $_SERVER）。

• Web 应用程序处理完成后将返回数据写入到标准输出中，Web 服务器进程则从标准输出流中读取到响应，并采用 HTTP 协议返回给用户响应。

一句话就是 Web 服务器中的 CGI 进程将接收到的 HTTP 请求数据读取到环境变量中，通过标准输入转发给 PHP 的 CGI 程序；当 PHP 程序处理完成后，Web 服务器中的 CGI 进程从标准输出中读取返回数据，并转换回 HTTP 响应消息格式，最终将页面呈献给用户。然后 Web 服务器关闭掉这个 CGI 进程。

可以说 CGI 协议特别擅长处理 Web 服务器和 Web 应用的通信问题。然而，它有一个严重缺陷，对于每个请求都需要重新 fork 出一个 CGI 进程，处理完成后立即关闭。

CGI协议的缺陷

• 每次处理用户请求，都需要重新 fork CGI 子进程、销毁 CGI 子进程。

• 一系列的 I/O 开销降低了网络的吞吐量，造成了资源的浪费，在大并发时会产生严重的性能问题。

深入FastCGI协议

从功能上来讲，CGI 协议已经完全能够解决 Web 服务器与 Web 应用之间的数据通信问题。但是由于每个请求都需要重新 fork 出 CGI 子进程导致性能堪忧，所以基于 CGI 协议的基础上做了改进便有了 FastCGI 协议，它是一种常驻型的 CGI 协议。

本质上来将 FastCGI 和 CGI 协议几乎完全一样，它们都可以从 Web 服务器里接收到相同的数据，不同之处在于采取了不同的通信方式。

再来回顾一下 CGI 协议每次接收到 HTTP 请求时，都需要经历 fork 出 CGI 子进程、执行处理并销毁 CGI 子进程这一系列工作。

而 FastCGI 协议采用 进程间通信(IPC) 来处理用户的请求，下面我们就来看看它的运行原理。

FastCGI协议运行原理

• FastCGI 进程管理器启动时会创建一个 主（Master） 进程和多个 CGI 解释器进程（Worker 进程），然后等待 Web 服务器的连接。

• Web 服务器接收 HTTP 请求后，将 CGI 报文通过 套接字（UNIX 或 TCP Socket）进行通信，将环境变量和请求数据写入标准输入,转发到 CGI 解释器进程。

• CGI 解释器进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一连接返回给 Web 服务器。

• CGI 解释器进程等待下一个 HTTP 请求的到来。

为什么是 FastCGI 而非 CGI 协议

如果仅仅因为工作模式的不同，似乎并没有什么大不了的。并没到非要选择 FastCGI 协议不可的地步。

然而，对于这个看似微小的差异，但意义非凡，最终的结果是实现出来的 Web 应用架构上的差异。

CGI 与 FastCGI 架构

在 CGI 协议中，Web 应用的生命周期完全依赖于 HTTP 请求的声明周期。

对每个接收到的 HTTP 请求，都需要重启一个 CGI 进程来进行处理，处理完成后必须关闭 CGI 进程，才能达到通知 Web 服务器本次 HTTP 请求处理完成的目的。

但是在 FastCGI 中完全不一样。

FastCGI 进程是常驻型的，一旦启动就可以处理所有的 HTTP 请求，而无需直接退出。

再看 FastCGI 协议

通过前面的讲解，我们相比已经可以很准确的说出来 FastCGI 是一种通信协议 这样的结论。现在，我们就将关注的焦点挪到协议本身，来看看这个协议的定义。

同 HTTP 协议一样，FastCGI 协议也是有消息头和消息体组成。

消息头信息

主要的消息头信息如下:

• Version: 用于表示 FastCGI 协议版本号。

• Type: 用于标识 FastCGI 消息的类型 - 用于指定处理这个消息的方法。

• RequestID: 标识出当前所属的 FastCGI 请求。

• Content Length: 数据包包体所占字节数。

消息类型定义

• BEGIN_REQUEST: 从 Web 服务器发送到 Web 应用，表示开始处理新的请求。

• ABORT_REQUEST: 从 Web 服务器发送到 Web 应用，表示中止一个处理中的请求。比如，用户在浏览器发起请求后按下浏览器上的「停止按钮」时，会触发这个消息。

• END_REQUEST: 从 Web 应用发送给 Web 服务器，表示该请求处理完成。返回数据包里包含「返回的代码」，它决定请求是否成功处理。

• PARAMS: 「流数据包」，从 Web 服务器发送到 Web 应用。此时可以发送多个数据包。发送结束标识为从 Web 服务器发出一个长度为 0 的空包。且 PARAMS 中的数据类型和 CGI 协议一致。即我们使用 $_SERVER 获取到的系统环境等。

• STDIN: 「流数据包」，用于 Web 应用从标准输入中读取出用户提交的 POST 数据。

• STDOUT: 「流数据报」，从 Web 应用写入到标准输出中，包含返回给用户的数据。

Web 服务器和 FastCGI 交互过程

• Web 服务器接收用户请求，但最终处理请求由 Web 应用完成。此时，Web 服务器尝试通过套接字（UNIX 或 TCP 套接字，具体使用哪个由 Web 服务器配置决定）连接到 FastCGI 进程。

• FastCGI 进程查看接收到的连接。选择「接收」或「拒绝」连接。如果是「接收」连接，则从标准输入流中读取数据包。

• 如果 FastCGI 进程在指定时间内没有成功接收到连接，则该请求失败。否则，Web 服务器发送一个包含唯一的RequestID 的 BEGIN_REQUEST 类型消息给到 FastCGI 进程。后续所有数据包发送都包含这个 RequestID。 然后，Web 服务器发送任意数量的 PARAMS 类型消息到 FastCGI 进程。一旦发送完毕，Web 服务器通过发送一个空PARAMS 消息包，然后关闭这个流。 另外，如果用户发送了 POST 数据 Web 服务器会将其写入到 标准输入（STDIN） 发送给 FastCGI 进程。当所有 POST 数据发送完成，会发送一个空的 标准输入（STDIN） 来关闭这个流。

• 同时，FastCGI 进程接收到 BEGINREQUEST 类型数据包。它可以通过响应 ENDREQUEST 来拒绝这个请求。或者接收并处理这个请求。如果接收请求，FastCGI 进程会等待接收所有的 PARAMS 和 标准输入数据包。 然后，在处理请求并将返回结果写入 标准输出（STDOUT） 流。处理完成后，发送一个空的数据包到标准输出来关闭这个流，并且会发送一个 END_REQUEST 类型消息通知 Web 服务器，告知它是否发生错误异常。

为什么需要在消息头发送 RequestID 这个标识？

如果是每个连接仅处理一个请求，发送 RequestID 则略显多余。

但是我们的 Web 服务器和 FastCGI 进程之间的连接可能处理多个请求，即一个连接可以处理多个请求。所以才需要采用数据包协议而不是直接使用单个数据流的原因：以实现「多路复用」。

因此，由于每个数据包都包含唯一的 RequestID，所以 Web 服务器才能在一个连接上发送任意数量的请求，并且 FastCGI 进程也能够从一个连接上接收到任意数量的请求数据包。

另外我们还需要明确一点就是 Web 服务器 与 FastCGI 进程间通信是 无序的。即使我们在交互过程中看起来一个请求是有序的，但是我们的 Web 服务器也有可能在同一时间发出几十个 BEGIN_REQUEST 类型的数据包，以此类推。

PHP-FPM

PHP-FPM即PHP-FastCGI Process Manager.

PHP-FPM是FastCGI的实现，并提供了进程管理的功能。

进程包含 master 进程和 worker 进程两种进程。

master 进程只有一个，负责监听端口，接收来自 Web Server 的请求，而 worker 进程则一般有多个(具体数量根据实际需要配置)，每个进程内部都嵌入了一个 PHP 解释器，是 PHP 代码真正执行的地方。

PHP-FPM 是 FastCGI 进程管理器（PHP FastCGI Process Manager）(http://php.net/manual/zh/install.fpm.php)，用于替换 PHP 内核的 FastCGI 的大部分附加功能（或者说一种替代的 PHP FastCGI 实现），对于高负载网站是非常有用的。

PHP-FPM如何工作的？

PHP-FPM 进程管理器有两种进程组成，一个 Master 进程和多个 Worker 进程。Master 进程负责监听端口，接收来自 Web 服务器的请求，然后指派具体的 Worker 进程处理请求；worker 进程则一般有多个 (依据配置决定进程数)，每个进程内部都嵌入了一个 PHP 解释器，用来执行 PHP 代码。

Nginx 服务器如何与 FastCGI 协同工作

Nginx 服务器无法直接与 FastCGI 服务器进行通信，需要启用 ngx_http_fastcgi_module 模块进行代理配置，才能将请求发送给 FastCGI 服务。

转载:

PHP和Apache是如何通信的?

Nginx+PHP-FPM运行原理详解

掌握CGI和FastCGI协议的运行原理