PHP 协程实现过程详解

实现 PHP 协程需要了解的基本内容。

多进程/线程

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,而且线程之间共享内存堆栈,所以不同的线程之间交互非常容易实现。比如实现一个聊天室,客户端连接之间可以交互,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、共享内存等等统称进程间通信(IPC)复杂的技术才能实现。

最简单的多进程服务端模型

$serv = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:8000", $errno, $errstr) 
or die("Create server failed");
while(1) {
	$conn = stream_socket_accept($serv);
	if (pcntl_fork() == 0) {
		$request = fread($conn);
		// do something
		// $response = "hello world";
		fwrite($response);
		fclose($conn);
		exit(0);
	}
}

多进程/线程模型的流程是:

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。

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 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。

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

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。

14906085938366.jpg

这种模式最大的问题是,进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://0.0.0.0:8000", $errno, $errstr) 
or die("Create server failed");
for($i = 0; $i < 32; $i++) {
    if (pcntl_fork() == 0) {
        while(1) {
            $conn = stream_socket_accept($serv);
            if ($conn == false) continue;
            // do something
            $request = fread($conn);
            // $response = "hello world";
            fwrite($response);
            fclose($conn);
        }
        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。

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。

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%。

并行和并发

谈到多进程以及类似同时执行多个任务的模型,就不得不先谈谈并行和并发。

并发(Concurrency)

是指能处理多个同时活动的能力,并发事件之间不一定要同一时刻发生。

并行(Parallesim)

是指同时刻发生的两个并发事件,具有并发的含义,但并发不一定并行。

区别

  • 『并发』指的是程序的结构,『并行』指的是程序运行时的状态
  • 『并行』一定是并发的,『并行』是『并发』设计的一种
  • 单线程永远无法达到『并行』状态

正确的并发设计的标准是:

使多个操作可以在重叠的时间段内进行。
two tasks can start, run, and complete in overlapping time periods

参考:

迭代器 & 生成器

在了解 PHP 协程前,还有 迭代器 和 生成器 这两个概念需要先认识一下。

迭代器

PHP5 开始内置了 Iterator 即迭代器接口,所以如果你定义了一个类,并实现了Iterator 接口,那么你的这个类对象就是 ZEND_ITER_OBJECT 即可迭代的,否则就是 ZEND_ITER_PLAIN_OBJECT

对于 ZEND_ITER_PLAIN_OBJECT 的类,foreach 会获取该对象的默认属性数组,然后对该数组进行迭代。

而对于 ZEND_ITER_OBJECT 的类对象,则会通过调用对象实现的 Iterator 接口相关函数来进行迭代。

任何实现了 Iterator 接口的类都是可迭代的,即都可以用 foreach 语句来遍历。

Iterator 接口

interface Iterator extends Traversable
{
	// 获取当前内部标量指向的元素的数据
    public mixed current()
	// 获取当前标量
    public scalar key()
	// 移动到下一个标量
    public void next()
	// 重置标量
    public void rewind()
	// 检查当前标量是否有效
    public boolean valid()
}

常规实现 range 函数

PHP 自带的 range 函数原型:

range — 根据范围创建数组,包含指定的元素

array range (mixed $start , mixed $end [, number $step = 1 ])

建立一个包含指定范围单元的数组。

在不使用迭代器的情况要实现一个和 PHP 自带的 range 函数类似的功能,可能会这么写:

function range ($start, $end, $step = 1)
{
    $ret = [];

    for ($i = $start; $i <= $end; $i += $step) {
        $ret[] = $i;
    }

    return $ret;
}

需要将生成的所有元素放在内存数组中,如果需要生成一个非常大的集合,则会占用巨大的内存。

迭代器实现 xrange 函数

来看看迭代实现的 range,我们叫做 xrange,他实现了 Iterator 接口必须的 5 个方法:

class Xrange implements Iterator
{
    protected $start;
    protected $limit;
    protected $step;
    protected $current;
    public function __construct($start, $limit, $step = 1)
    {
        $this->start = $start;
        $this->limit = $limit;
        $this->step  = $step;
    }
    public function rewind()
    {
        $this->current = $this->start;
    }
    public function next()
    {
        $this->current += $this->step;
    }
    public function current()
    {
        return $this->current;
    }
    public function key()
    {
        return $this->current + 1;
    }
    public function valid()
    {
        return $this->current <= $this->limit;
    }
}

使用时代码如下:

foreach (new Xrange(0, 9) as $key => $val) {
    echo $key, ' ', $val, "\n";
}

输出:

0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9

看上去功能和 range() 函数所做的一致,不同点在于迭代的是一个 对象(Object) 而不是数组:

var_dump(new Xrange(0, 9));

输出:

object(Xrange)#1 (4) {
  ["start":protected]=>
  int(0)
  ["limit":protected]=>
  int(9)
  ["step":protected]=>
  int(1)
  ["current":protected]=>
  NULL
}

另外,内存的占用情况也完全不同:

// range
$startMemory = memory_get_usage();
$arr = range(0, 500000);
echo 'range(): ', memory_get_usage() - $startMemory, " bytes\n";
unset($arr);
// xrange
$startMemory = memory_get_usage();
$arr = new Xrange(0, 500000);
echo 'xrange(): ', memory_get_usage() - $startMemory, " bytes\n";

输出:

xrange(): 624 bytes
range(): 72194784 bytes

range() 函数在执行后占用了 50W 个元素内存空间,而 xrange 对象在整个迭代过程中只占用一个对象的内存。

Yii2 Query

在喜闻乐见的各种 PHP 框架里有不少生成器的实例,比如 Yii2 中用来构建 SQL 语句的 \yii\db\Query类:

$query = (new \yii\db\Query)->from('user');
// yii\db\BatchQueryResult
foreach ($query->batch() as $users) {
    // 每次循环得到多条 user 记录
}

来看一下 batch() 做了什么:

/**
* Starts a batch query.
*
* A batch query supports fetching data in batches, which can keep the memory usage under a limit.
* This method will return a [[BatchQueryResult]] object which implements the [[\Iterator]] interface
* and can be traversed to retrieve the data in batches.
*
* For example,
*
*
* $query = (new Query)->from('user');
* foreach ($query->batch() as $rows) {
*     // $rows is an array of 10 or fewer rows from user table
* }
*
*
* @param integer $batchSize the number of records to be fetched in each batch.
* @param Connection $db the database connection. If not set, the "db" application component will be used.
* @return BatchQueryResult the batch query result. It implements the [[\Iterator]] interface
* and can be traversed to retrieve the data in batches.
*/
public function batch($batchSize = 100, $db = null)
{
   return Yii::createObject([
       'class' => BatchQueryResult::className(),
       'query' => $this,
       'batchSize' => $batchSize,
       'db' => $db,
       'each' => false,
   ]);
}

实际上返回了一个 BatchQueryResult 类,类的源码实现了 Iterator 接口 5 个关键方法:

class BatchQueryResult extends Object implements \Iterator
{
    public $db;
    public $query;
    public $batchSize = 100;
    public $each = false;
    private $_dataReader;
    private $_batch;
    private $_value;
    private $_key;
    /**
     * Destructor.
     */
    public function __destruct()
    {
        // make sure cursor is closed
        $this->reset();
    }
    /**
     * Resets the batch query.
     * This method will clean up the existing batch query so that a new batch query can be performed.
     */
    public function reset()
    {
        if ($this->_dataReader !== null) {
            $this->_dataReader->close();
        }
        $this->_dataReader = null;
        $this->_batch = null;
        $this->_value = null;
        $this->_key = null;
    }
    /**
     * Resets the iterator to the initial state.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     */
    public function rewind()
    {
        $this->reset();
        $this->next();
    }
    /**
     * Moves the internal pointer to the next dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     */
    public function next()
    {
        if ($this->_batch === null || !$this->each || $this->each && next($this->_batch) === false) {
            $this->_batch = $this->fetchData();
            reset($this->_batch);
        }
        if ($this->each) {
            $this->_value = current($this->_batch);
            if ($this->query->indexBy !== null) {
                $this->_key = key($this->_batch);
            } elseif (key($this->_batch) !== null) {
                $this->_key++;
            } else {
                $this->_key = null;
            }
        } else {
            $this->_value = $this->_batch;
            $this->_key = $this->_key === null ? 0 : $this->_key + 1;
        }
    }
    /**
     * Fetches the next batch of data.
     * @return array the data fetched
     */
    protected function fetchData()
    {
        // ...
    }
    /**
     * Returns the index of the current dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return integer the index of the current row.
     */
    public function key()
    {
        return $this->_key;
    }
    /**
     * Returns the current dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return mixed the current dataset.
     */
    public function current()
    {
        return $this->_value;
    }
    /**
     * Returns whether there is a valid dataset at the current position.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return boolean whether there is a valid dataset at the current position.
     */
    public function valid()
    {
        return !empty($this->_batch);
    }
}

以迭代器的方式实现了类似分页取的效果,同时避免了一次性取出所有数据占用太多的内存空间。

迭代器使用场景

  • 使用返回迭代器的包或库时(如 PHP5 中的 SPL 迭代器)
  • 无法在一次调用获取所需的所有元素时
  • 要处理数量巨大的元素时(数据库中要处理的结果集内容超过内存)

生成器

需要 PHP 5 >= 5.5.0 或 PHP 7

虽然迭代器仅需继承接口即可实现,但毕竟需要定义一整个类然后实现接口的所有方法,实在是不怎么方便。

生成器则提供了一种更简单的方式来实现简单的对象迭代,相比定义类来实现 Iterator 接口的方式,性能开销和复杂度大大降低。

PHP Manual

生成器允许在 foreach 代码块中迭代一组数据而不需要创建任何数组。一个生成器函数,就像一个普通的有返回值的自定义函数类似,但普通函数只返回一次, 而生成器可以根据需要通过 yield 关键字返回多次,以便连续生成需要迭代返回的值。

一个最简单的例子就是使用生成器来重新实现 xrange() 函数。效果和上面我们用迭代器实现的差不多,但实现起来要简单的多。

生成器实现 xrange 函数

function xrange($start, $limit, $step = 1) {
    for ($i = 0; $i < $limit; $i += $step) { 
        yield $i + 1 => $i;
    }
}
foreach (xrange(0, 9) as $key => $val) {
    printf("%d %d \n", $key, $val);
}
// 输出
// 1 0
// 2 1
// 3 2
// 4 3
// 5 4
// 6 5
// 7 6
// 8 7
// 9 8

实际上生成器生成的正是一个迭代器对象实例,该迭代器对象继承了 Iterator 接口,同时也包含了生成器对象自有的接口,具体可以参考 Generator 类的定义以及语法参考

同时需要注意的是:

一个生成器不可以返回值,这样做会产生一个编译错误。然而 return 空是一个有效的语法并且它将会终止生成器继续执行。

yield 关键字

需要注意的是 yield 关键字,这是生成器的关键。通过上面的例子可以看出,yield 会将当前产生的值传递给 foreach,换句话说,foreach 每一次迭代过程都会从 yield 处取一个值,直到整个遍历过程不再能执行到 yield 时遍历结束,此时生成器函数简单的退出,而调用生成器的上层代码还可以继续执行,就像一个数组已经被遍历完了。

yield 最简单的调用形式看起来像一个 return 申明,不同的是 yield 暂停当前过程的执行并返回值,而 return 是中断当前过程并返回值。暂停当前过程,意味着将处理权转交由上一级继续进行,直到上一级再次调用被暂停的过程,该过程又会从上一次暂停的位置继续执行。这像是什么呢?如果之前已经在鸟哥的文章中粗略看过,应该知道这很像操作系统的进程调度,多个进程在一个 CPU 核心上执行,在系统调度下每一个进程执行一段指令就被暂停,切换到下一个进程,这样外部用户看起来就像是同时在执行多个任务。

但仅仅如此还不够,yield 除了可以返回值以外,还能接收值,也就是可以在两个层级间实现双向通信

来看看如何传递一个值给 yield

function printer()
{
    while (true) {
        printf("receive: %s\n", yield);
    }
}
$printer = printer();
$printer->send('hello');
$printer->send('world');
// 输出
receive: hello
receive: world

根据 PHP 官方文档的描述可以知道 Generator 对象除了实现 Iterator 接口中的必要方法以外,还有一个 send 方法,这个方法就是向 yield 语句处传递一个值,同时从 yield 语句处继续执行,直至再次遇到 yield 后控制权回到外部。

既然 yield 可以在其位置中断并返回或者接收一个值,那能不能同时进行接收返回呢?当然,这也是实现协程的根本。对上述代码做出修改:

function printer()
{
    $i = 0;
    while (true) {
        printf("receive: %s\n", (yield ++$i));
    }
}
$printer = printer();
printf("%d\n", $printer->current());
$printer->send('hello');
printf("%d\n", $printer->current());
$printer->send('world');
printf("%d\n", $printer->current());
// 输出
1
receive: hello
2
receive: world
3

这是另一个例子:

function gen() {
    $ret = (yield 'yield1');
    var_dump($ret);
    $ret = (yield 'yield2');
    var_dump($ret);
}

$gen = gen();
var_dump($gen->current());    // string(6) "yield1"
var_dump($gen->send('ret1')); // string(4) "ret1"   (第一个 var_dump)
                              // string(6) "yield2" (继续执行到第二个 yield,吐出了返回值)
var_dump($gen->send('ret2')); // string(4) "ret2"   (第二个 var_dump)
                              // NULL (var_dump 之后没有其他语句,所以这次 ->send() 的返回值为 null)

current 方法是迭代器 Iterator 接口必要的方法,foreach 语句每一次迭代都会通过其获取当前值,而后调用迭代器的 next 方法。在上述例子里则是手动调用了 current 方法获取值。

上述例子已经足以表示 yield 能够作为实现双向通信的工具,也就是具备了后续实现协程的基本条件。

上面的例子如果第一次接触并稍加思考,不免会疑惑为什么一个 yield 既是语句又是表达式,而且这两种情况还同时存在:

  • 对于所有在生成器函数中出现的 yield,首先它都是语句,而跟在 yield 后面的任何表达式的值将作为调用生成器函数的返回值,如果 yield 后面没有任何表达式(变量、常量都是表达式),那么它会返回 NULL,这一点和 return 语句一致。
  • yield 也是表达式,它的值就是 send 函数传过来的值(相当于一个特殊变量,只不过赋值是通过 send 函数进行的)。只要调用send方法,并且生成器对象的迭代并未终结,那么当前位置的 yield 就会得到 send 方法传递过来的值,这和生成器函数有没有把这个值赋值给某个变量没有任何关系。

这个地方可能需要仔细品味上面两个 send() 方法的例子才能理解。但可以简单的记住:

任何时候 yield 关键词即是语句:可以为生成器函数返回值;也是表达式:可以接收生成器对象发过来的值。

除了 send() 方法,还有一种控制生成器执行的方法是 next() 函数:

  • Next(),恢复生成器函数的执行直到下一个 yield
  • Send(),向生成器传入一个值,恢复执行直到下一个 yield

协程

对于单核处理器,多进程实现多任务的原理是让操作系统给一个任务每次分配一定的 CPU 时间片,然后中断、让下一个任务执行一定的时间片接着再中断并继续执行下一个,如此反复。由于切换执行任务的速度非常快,给外部用户的感受就是多个任务的执行是同时进行的。

多进程的调度是由操作系统来实现的,进程自身不能控制自己何时被调度,也就是说:

进程的调度是由外层调度器抢占式实现的

协程要求当前正在运行的任务自动把控制权回传给调度器,这样就可以继续运行其他任务。这与『抢占式』的多任务正好相反, 抢占多任务的调度器可以强制中断正在运行的任务, 不管它自己有没有意愿。『协作式多任务』在 Windows 的早期版本 (windows95) 和 Mac OS 中有使用, 不过它们后来都切换到『抢占式多任务』了。理由相当明确:如果仅依靠程序自动交出控制的话,那么一些恶意程序将会很容易占用全部 CPU 时间而不与其他任务共享。

协程的调度是由协程自身主动让出控制权到外层调度器实现的

回到刚才生成器实现 xrange 函数的例子,整个执行过程的交替可以用下图来表示:

14912153136517.jpg

协程可以理解为纯用户态的线程,通过协作而不是抢占来进行任务切换。相对于进程或者线程,协程所有的操作都可以在用户态而非操作系统内核态完成,创建和切换的消耗非常低。

简单的说 Coroutine(协程) 就是提供一种方法来中断当前任务的执行,保存当前的局部变量,下次再过来又可以恢复当前局部变量继续执行。

我们可以把大任务拆分成多个小任务轮流执行,如果有某个小任务在等待系统 IO,就跳过它,执行下一个小任务,这样往复调度,实现了 IO 操作和 CPU 计算的并行执行,总体上就提升了任务的执行效率,这也便是协程的意义。

PHP 协程和 yield

PHP 从 5.5 开始支持生成器及 yield 关键字,而 PHP 协程则由 yield 来实现。

要理解协程,首先要理解:代码是代码,函数是函数。函数包裹的代码赋予了这段代码附加的意义:不管是否显式的指明返回值,当函数内的代码块执行完后都会返回到调用层。而当调用层调用某个函数的时候,必须等这个函数返回,当前函数才能继续执行,这就构成了后进先出,也就是 Stack

而协程包裹的代码,不是函数,不完全遵守函数的附加意义,协程执行到某个点,协会协程会 yield返回一个值然后挂起,而不是 return 一个值然后结束,当再次调用协程的时候,会在上次 yield 的点继续执行。

所以协程违背了通常操作系统和 x86 的 CPU 认定的代码执行方式,也就是 Stack 的这种执行方式,需要运行环境(比如 php,python 的 yield 和 golang 的 goroutine)自己调度,来实现任务的中断和恢复,具体到 PHP,就是靠 yield 来实现。

堆栈式调用 和 协程调用的对比:

14912192095503.jpg

结合之前的例子,可以总结一下 yield 能做的就是:

  • 实现不同任务间的主动让位、让行,把控制权交回给任务调度器。
  • 通过 send() 实现不同任务间的双向通信,也就可以实现任务和调度器之间的通信。

yield 就是 PHP 实现协程的方式。

协程多任务调度

下面是雄文 Cooperative multitasking using coroutines (in PHP!) 里一个简单但完整的例子,来展示如何具体的在 PHP 里实现协程任务的调度。

首先是一个任务类:

Task

class Task
{
    // 任务 ID
    protected $taskId;
    // 协程对象
    protected $coroutine;
    // send() 值
    protected $sendVal = null;
    // 是否首次 yield
    protected $beforeFirstYield = true;
    public function __construct($taskId, Generator $coroutine) {
        $this->taskId = $taskId;
        $this->coroutine = $coroutine;
    }

    public function getTaskId() {
        return $this->taskId;
    }
    public function setSendValue($sendVal) {
        $this->sendVal = $sendVal;
    }
    public function run() {
        // 如之前提到的在send之前, 当迭代器被创建后第一次 yield 之前,一个 renwind() 方法会被隐式调用
        // 所以实际上发生的应该类似:
        // $this->coroutine->rewind();
        // $this->coroutine->send();

        // 这样 renwind 的执行将会导致第一个 yield 被执行, 并且忽略了他的返回值.
        // 真正当我们调用 yield 的时候, 我们得到的是第二个yield的值,导致第一个yield的值被忽略。
        // 所以这个加上一个是否第一次 yield 的判断来避免这个问题
        if ($this->beforeFirstYield) {
            $this->beforeFirstYield = false;
            return $this->coroutine->current();
        } else {
            $retval = $this->coroutine->send($this->sendVal);
            $this->sendVal = null;
            return $retval;
        }
    }
    public function isFinished() {
        return !$this->coroutine->valid();
    }
}

接下来是调度器,比 foreach 是要复杂一点,但好歹也能算个正儿八经的 Scheduler :)

Scheduler

class Scheduler
{
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $taskMap = []; // taskId => task
    protected $taskQueue;

    public function __construct() {
        $this->taskQueue = new SplQueue();
    }

    // (使用下一个空闲的任务id)创建一个新任务,然后把这个任务放入任务map数组里. 接着它通过把任务放入任务队列里来实现对任务的调度. 接着run()方法扫描任务队列, 运行任务.如果一个任务结束了, 那么它将从队列里删除, 否则它将在队列的末尾再次被调度。
    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $tid = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($tid, $coroutine);
        $this->taskMap[$tid] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $tid;
    }

    public function schedule(Task $task) {
    	// 任务入队
        $this->queue->enqueue($task);
    }

    public function run() {
        while (!$this->queue->isEmpty()) {
        	// 任务出队
            $task = $this->queue->dequeue();
            $task->run();

            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
}

队列可以使每个任务获得同等的 CPU 使用时间,

Demo

function task1() {
    for ($i = 1; $i <= 10; ++$i) {
        echo "This is task 1 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}

function task2() {
    for ($i = 1; $i <= 5; ++$i) {
        echo "This is task 2 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}

$scheduler = new Scheduler;

$scheduler->newTask(task1());
$scheduler->newTask(task2());

$scheduler->run();

输出:

This is task 1 iteration 1.
This is task 2 iteration 1.
This is task 1 iteration 2.
This is task 2 iteration 2.
This is task 1 iteration 3.
This is task 2 iteration 3.
This is task 1 iteration 4.
This is task 2 iteration 4.
This is task 1 iteration 5.
This is task 2 iteration 5.
This is task 1 iteration 6.
This is task 1 iteration 7.
This is task 1 iteration 8.
This is task 1 iteration 9.
This is task 1 iteration 10.

结果正是我们期待的,最初的 5 次迭代,两个任务是交替进行的,而在第二个任务结束后,只有第一个任务继续执行到结束。

协程非阻塞 IO

若想真正的发挥出协程的作用,那一定是在一些涉及到阻塞 IO 的场景,我们都知道 Web 服务器最耗时的部分通常都是 socket 读取数据等操作上,如果进程对每个请求都挂起的等待 IO 操作,那处理效率就太低了,接下来我们看个支持非阻塞 IO 的 Scheduler:

<?php
class Scheduler
{
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $tasks = []; // taskId => task
    protected $queue;
    // resourceID => [socket, tasks]
    protected $waitingForRead = [];
    protected $waitingForWrite = [];

    public function __construct() {
        // SPL 队列
        $this->queue = new SplQueue();
    }

    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $tid = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($tid, $coroutine);
        $this->tasks[$tid] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $tid;
    }

    public function schedule(Task $task) {
    	// 任务入队
        $this->queue->enqueue($task);
    }

    public function run() {
        while (!$this->queue->isEmpty()) {
        	// 任务出队
            $task = $this->queue->dequeue();
            $task->run();

            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->tasks[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
    public function waitForRead($socket, Task $task)
    {
        if (isset($this->waitingForRead[(int)$socket])) {
            $this->waitingForRead[(int)$socket][1][] = $task;
        } else {
            $this->waitingForRead[(int)$socket] = [$socket, [$task]];
        }
    }
    public function waitForWrite($socket, Task $task)
    {
        if (isset($this->waitingForWrite[(int)$socket])) {
            $this->waitingForWrite[(int)$socket][1][] = $task;
        } else {
            $this->waitingForWrite[(int)$socket] = [$socket, [$task]];
        }
    }
    /**
     * @param $timeout 0 represent
     */
    protected function ioPoll($timeout)
    {
        $rSocks = [];
        foreach ($this->waitingForRead as list($socket)) {
            $rSocks[] = $socket;
        }
        $wSocks = [];
        foreach ($this->waitingForWrite as list($socket)) {
            $wSocks[] = $socket;
        }
        $eSocks = [];
        // $timeout 为 0 时, stream_select 为立即返回,为 null 时则会阻塞的等,见 http://php.net/manual/zh/function.stream-select.php
        if (!@stream_select($rSocks, $wSocks, $eSocks, $timeout)) {
            return;
        }
        foreach ($rSocks as $socket) {
            list(, $tasks) = $this->waitingForRead[(int)$socket];
            unset($this->waitingForRead[(int)$socket]);
            foreach ($tasks as $task) {
                $this->schedule($task);
            }
        }
        foreach ($wSocks as $socket) {
            list(, $tasks) = $this->waitingForWrite[(int)$socket];
            unset($this->waitingForWrite[(int)$socket]);
            foreach ($tasks as $task) {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
    /**
     * 检查队列是否为空,若为空则挂起的执行 stream_select,否则检查完 IO 状态立即返回,详见 ioPoll()
     * 作为任务加入队列后,由于 while true,会被一直重复的加入任务队列,实现每次任务前检查 IO 状态
     * @return Generator object for newTask
     *
     */
    protected function ioPollTask()
    {
        while (true) {
            if ($this->taskQueue->isEmpty()) {
                $this->ioPoll(null);
            } else {
                $this->ioPoll(0);
            }
            yield;
        }
    }
    /**
     * $scheduler = new Scheduler;
     * $scheduler->newTask(Web Server Generator);
     * $scheduler->withIoPoll()->run();
     *
     * 新建 Web Server 任务后先执行 withIoPoll() 将 ioPollTask() 作为任务入队
     * 
     * @return $this
     */
    public function withIoPoll()
    {
        $this->newTask($this->ioPollTask());
        return $this;
    }
}

这个版本的 Scheduler 里加入一个永不退出的任务,并且通过 stream_select 支持的特性来实现快速的来回检查各个任务的 IO 状态,只有 IO 完成的任务才会继续执行,而 IO 还未完成的任务则会跳过,完整的代码和例子可以戳这里

也就是说任务交替执行的过程中,一旦遇到需要 IO 的部分,调度器就会把 CPU 时间分配给不需要 IO 的任务,等到当前任务遇到 IO 或者之前的任务 IO 结束才再次调度 CPU 时间,以此实现 CPU 和 IO 并行来提升执行效率,类似下图:

14913877605869.jpg

单任务改造

如果想将一个单进程任务改造成并发执行,我们可以选择改造成多进程或者协程:

  • 多进程,不改变任务执行的整体过程,在一个时间段内同时执行多个相同的代码段,调度权在 CPU,如果一个任务能独占一个 CPU 则可以实现并行。
  • 协程,把原有任务拆分成多个小任务,原有任务的执行流程被改变,调度权在进程自己,如果有 IO 并且可以实现异步,则可以实现并行。

多进程改造

14914233052018.jpg

协程改造

14914233296912.jpg

协程(Coroutines)和 Go 协程(Goroutines)

PHP 的协程或者其他语言中,比如 Python、Lua 等都有协程的概念,和 Go 协程有些相似,不过有两点不同:

  • Go 协程意味着并行(或者可以以并行的方式部署,可以用 runtime.GOMAXPROCS() 指定可同时使用的 CPU 个数),协程一般来说只是并发。
  • Go 协程通过通道 channel 来通信;协程通过 yield 让出和恢复操作来通信。

Go 协程比普通协程更强大,也很容易从协程的逻辑复用到 Go 协程,而且在 Go 的开发中也使用的极为普遍,有兴趣的话可以了解一下作为对比。

结束

个人感觉 PHP 的协程在实际使用中想要徒手实现和应用并不方便而且场景有限,但了解其概念及实现原理对更好的理解并发不无裨益。

如果想更多的了解协程的实际应用场景不妨试试已经大名鼎鼎的 Swoole,其对多种协议的 client 做了底层的协程封装,几乎可以做到以同步编程的写法实现协程异步 IO 的效果。

参考

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网友评论1

  1. 这个输出有错啊
    难道不是:
    1 0
    2 1
    3 2
    4 3
    5 4
    6 5
    7 6
    8 7
    9 8
    10 9

    sunnys11122017-07-07 10:30 回复