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PHP并发IO编程之路

2016年3月21日

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。此时程序会进入随眠状态,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forkphp: pcntl_fork)创建子进程,多线程模型下使用pthread_createphp: 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recvphp: 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sendphp: 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:

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ApachePHP-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%可以忽略不接,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100ms100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999999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NginxNode.jsErlangGolang。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。

Reactor4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. delreactor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/acceptsend/recvclose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

  • StreamPHP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
  • PECLPHP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

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。PHPPECL扩展库里你想要的任何的功能。

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,如果同样用PHP写再用c++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HashTablePHPArray集合了MapSetVectorQueueStackHeap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++JAVAGolang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  

PHPSwoole扩展

基于上面的扩展使用纯PHP就可以完全实现异步网络服务器和客户端程序。但是想实现一个类似于多IO线程,还是有很多繁琐的编程工作要做,包括如何来管理连接,如何来保证数据的收发原则性,网络协议的处理。另外PHP代码在协议处理部分性能是比较差的,所以我启动了一个新的开源项目Swoole,使用C语言和PHP结合来完成了这项工作。灵活多变的业务模块使用PHP开发效率高,基础的底层和协议处理部分用C语言实现,保证了高性能。它以扩展的方式加载到了PHP中,提供了一个完整的网络通信的框架,然后PHP的代码去写一些业务。它的模型是基于多线程Reactor+多进程Worker,既支持全异步,也支持半异步半同步。

Swoole的一些特点:

  • Accept线程,解决Accept性能瓶颈和惊群问题
  • IO线程,可以更好地利用多核
  • 提供了全异步和半同步半异步2种模式
  • 处理高并发IO的部分用异步模式
  • 复杂的业务逻辑部分用同步模式
  • 底层支持了遍历所有连接、互发数据、自动合并拆分数据包、数据发送原子性。

Swoole的进程/线程模型:

Swoole程序的执行流程:

使用PHP+Swoole扩展实现异步通信编程

实例代码在https://github.com/swoole/swoole-src 主页查看。

TCP服务器与客户端

异步TCP服务器:

 

在这里new swoole_server对象,然后参数传入监听的HOSTPORT,然后设置了3个回调函数,分别是onConnect有新的连接进入、onReceive收到了某一个客户端的数据、onClose某个客户端关闭了连接。最后调用start启动服务器程序。swoole底层会根据当前机器有多少CPU核数,启动对应数量的Reactor线程和Worker进程。

异步客户端:

客户端的使用方法和服务器类似只是回调事件有4个,onConnect成功连接到服务器,这时可以去发送数据到服务器。onError连接服务器失败。onReceive服务器向客户端连接发送了数据。onClose连接关闭。

设置完事件回调后,发起connect到服务器,参数是服务器的IP,PORT和超时时间。

 

同步客户端:

同步客户端不需要设置任何事件回调,它没有Reactor监听,是阻塞串行的。等待IO完成才会进入下一步。

异步任务:

异步任务功能用于在一个纯异步的Server程序中去执行一个耗时的或者阻塞的函数。底层实现使用进程池,任务完成后会触发onFinish,程序中可以得到任务处理的结果。比如一个IM需要广播,如果直接在异步代码中广播可能会影响其他事件的处理。另外文件读写也可以使用异步任务实现,因为文件句柄没办法像socket一样使用Reactor监听。因为文件句柄总是可读的,直接读取文件可能会使服务器程序阻塞,使用异步任务是非常好的选择。

异步毫秒定时器

2个接口实现了类似JSsetIntervalsetTimeout函数功能,可以设置在n毫秒间隔实现一个函数或 n毫秒后执行一个函数。

异步MySQL客户端

swoole还提供一个内置连接池的MySQL异步客户端,可以设定最大使用MySQL连接数。并发SQL请求可以复用这些连接,而不是重复创建,这样可以保护MySQL避免连接资源被耗尽。

异步Redis客户端

异步的Web程序

程序的逻辑是从Redis中读取一个数据,然后显示HTML页面。使用ab压测性能如下:

同样的逻辑在php-fpm下的性能测试结果如下:

WebSocket程序

swoole内置了websocket服务器,可以基于此实现Web页面主动推送的功能,比如WebIM。有一个开源项目可以作为参考。https://github.com/matyhtf/php-webim

PHP+Swoole协程

异步编程一般使用回调方式,如果遇到非常复杂的逻辑,可能会层层嵌套回调函数。协程就可以解决此问题,可以顺序编写代码,但运行时是异步非阻塞的。腾讯的工程师基于Swoole扩展和PHP5.5Yield/Generator语法实现类似于Golang的协程,项目名称为TSFTencent Server Framework),开源项目地址:https://github.com/tencent-php/tsf。目前在腾讯公司的企业QQQQ公众号项目以及车轮忽略的查违章项目有大规模应用 。

TSF使用也非常简单,下面调用了3IO操作,完全是串行的写法。但实际上是异步非阻塞执行的。TSF底层调度器接管了程序的执行,在对应的IO完成后才会向下继续执行。

在树莓派上使用PHP+Swoole

PHPSwoole都可以在ARM平台上编译运行,所以在树莓派系统上也可以使用PHP+Swoole来开发网络通信的程序。

 

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