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PHP并发IO编程之路

时间:2020-02-01 16:20:58      阅读:81      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:解决   客户   参考   不同的   无法   fwrite   返回   同步阻塞   唤醒   

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。

技术图片

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

技术图片

 

 

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

技术图片

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

PHP并发IO编程之路

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原文地址:https://www.cnblogs.com/zh718594493/p/12248725.html

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