PHP并发IO编程

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。

代码实例：

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。

代码实例：

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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。

IO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。

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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

协程是什么

协程从底层技术角度看实际上还是异步IO Reactor模型，应用层自行实现了任务调度，借助Reactor切换各个当前执行的用户态线程，但用户代码中完全感知不到Reactor的存在。

PHP并发IO编程实践

PHP相关扩展

• Stream：PHP内核提供的socket封装
• Sockets：对底层Socket API的封装
• Libevent：对libevent库的封装
• Event：基于Libevent更高级的封装，提供了面向对象接口、定时器、信号处理的支持
• Pcntl/Posix：多进程、信号、进程管理的支持
• Pthread：多线程、线程管理、锁的支持
• PHP还有共享内存、信号量、消息队列的相关扩展
• PECL：PHP的扩展库，包括系统底层、数据分析、算法、驱动、科学计算、图形等都有。如果PHP标准库中没有找到，可以在PECL寻找想要的功能。

PHP语言的优劣势

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PHP的优点：

1. 第一个是简单，PHP比其他任何的语言都要简单，入门的话PHP真的是可以一周就入门。C++有一本书叫做《21天深入学习C++》，其实21天根本不可能学会，甚至可以说C++没有3-5年不可能深入掌握。但是PHP绝对可以7天入门。所以PHP程序员的数量非常多，招聘比其他语言更容易。
2. PHP的功能非常强大，因为PHP官方的标准库和扩展库里提供了做服务器编程能用到的99%的东西。PHP的PECL扩展库里你想要的任何的功能。
3. 另外PHP有超过20年的历史，生态圈是非常大的，在Github可以找到很多代码。

PHP的缺点：

1. 性能比较差，因为毕竟是动态脚本，不适合做密集运算，如果同样的 PHP 程序使用 C/C++ 来写，PHP 版本要比它差一百倍。
2. 函数命名规范差，这一点大家都是了解的，PHP更讲究实用性，没有一些规范。一些函数的命名是很混乱的，所以每次你必须去翻PHP的手册。
3. 提供的数据结构和函数的接口粒度比较粗。PHP只有一个Array数据结构，底层基于HashTable。PHP的Array集合了Map，Set，Vector，Queue，Stack，Heap等数据结构的功能。另外PHP有一个SPL提供了其他数据结构的类封装。

所以PHP

1. PHP更适合偏实际应用层面的程序，业务开发、快速实现的利器
2. PHP不适合开发底层软件
3. 使用C/C++、JAVA、Golang等静态编译语言作为PHP的补充，动静结合
4. 借助IDE工具实现自动补全、语法提示

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