PHP-FPM及其三种运行方式

作者：轻易科技知行研发发 聂军瑞

php-fpm和FastCGI是什么？

1. PHP-FPM(FastCGI Process Manager)是一个PHPFastCGI进程管理器，从其英文名称和定义可以看出，FPM的核心功能就是进程管理。

2. FastCGI可以理解为一种协议，用于web服务器（nginx、Apache）和处理程序间进行通信，是一种应用层通信协议。

3. 工作原理大致如下图
   

fpm的基本实现

1. 简单来说，fpm的实现就是创建一个master进程，在master进程中创建worker pool并监听socket，然后fork出多个子进程（work），这些worker在启动后阻塞在fcgi_accept_request()上，各自accept请求，有请求到达后worker开始读取请求数据，读取完成后开始处理然后再返回，在这期间是不会接收其它请求的，也就是说fpm的子进程同时只能响应一个请求，只有把这个请求处理完成后才会accept下一个请求。
2. fpm的master进程与worker进程之间不会直接进行通信，master通过共享内存获取worker进程的信息，比如worker进程当前状态、已处理请求数等，当master进程要杀掉一个worker进程时则通过发送信号的方式通知worker进程。
3. fpm可以同时监听多个端口，每个端口对应一个worker pool，而每个pool下对应多个worker进程，类似nginx中server概念, 在php-fpm.conf中可以配置多个，例如：
   [web1]
   listen:127.0.0.1:9000
   [web2]
   listen:127.0.0.1:9001
4. 大致原理如下图
   
5. php-fpm源码结构

struct fpm_worker_pool_s {
    struct fpm_worker_pool_s *next; //指向下一个worker pool
    struct fpm_worker_pool_config_s *config; //conf配置:pm、max_children、start_servers...
     ...
    struct fpm_child_s *children; //当前pool的worker链表
    int running_children; //已启动的进程数
    int idle_spawn_rate;//空闲率
    int warn_max_children;//最大work值
    struct fpm_scoreboard_s *scoreboard; //记录worker的运行信息，比如空闲、忙碌worker数
    ...
}

以上代码片段只保留了部分本文所需要的内容

worker工作流程

worker的工作流程包含以下几个步骤

1. 等待请求：fcgi_accept_request()阻塞等待请求
2. 接收请求：fastcgi请求到达后被worker接收并解析，一直到完全接收，然后将method、query、uri等信息保存到worker进程的fpm_scoreboard_proc_s结构中
3. 初始化请求：php_request_startup()执行，此步骤会调用每个扩展的PHP_RINIT_FUNCTION方法，初始化一些操作
4. 处理请求（编译、执行）：php代码编译执行阶段，由 php_execute_script方法完成
5. 关闭请求：返回响应，执行php_request_shutdown方法关闭请求，然后进入第一步继续等待请求，此步骤会执行每个扩展的PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION进行一些收尾工作

fpm启动流程部分源码

int main(int argc, char *argv[])
{
    ...变量定义，参数初始化
    //注册SAPI
    sapi_startup(&cgi_sapi_module);
    ...
    //执行php_module_starup()
    if (cgi_sapi_module.startup(&cgi_sapi_module) == FAILURE) {
        return FPM_EXIT_SOFTWARE;
    }
    //初始化
    if(0 > fpm_init(...)){
        //记录日志并退出
        return FPM_EXIT_CONFIG;
    }
    ...
    fpm_is_running = 1;//fpm运行状态标识
    fcgi_fd = fpm_run(&max_requests);//进程初始化,调用fork()创建work进程
     ...
    fcgi_init_request(&request, fcgi_fd); //初始化请求;
    //此阶段的php_request_startup()会调用每个扩展的：PHP_RINIT_FUNCTION()；
    if (UNEXPECTED(php_request_startup() == FAILURE)) {
    ...
    }
    ...
    php_fopen_primary_script(&file_handle TSRMLS_CC); //打开脚本; 
    ...
    php_execute_script(&file_handle TSRMLS_CC); //执行脚本; 
    ...
    //worker进程退出
    php_module_shutdown();
    ...
}

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php-fpm运行的三种模式

static模式：静态模式

该模式比较简单，在启动时按照配置pm.max_children启动固定数量的的进程，这些进程阻塞进行请求的接收
方法执行流程：
fpm_run()->fpm_children_create_initial()->fpm_children_make()
启动fpm的时候会调用fpm_run方法，而fpm_run方法内部会调用子进程初始化方法fpm_children_create_initial，
在该方法内部会调用fpm_children_make方法创建worker进程。

ondemand 模式：按需分配模式

1. ondemand模式，运行流程和第一步相同，不同之处是在第二个函数中不会分配work进程，而是注册了一个事件回调函数fpm_pctl_on_socket_accept(),部分代码如下：

if (wp->config->pm == PM_STYLE_ONDEMAND) { 
 	wp->ondemand_event = (struct fpm_event_s *)malloc(sizeof(struct fpm_event_s));   
  	......   
 	memset(wp->ondemand_event, 0, sizeof(struct fpm_event_s));    
  	fpm_event_set(wp->ondemand_event,wp->listening_socket,FPM_EV_READ|FPM_EV_EDGE,fpm_pctl_on_socket_accept, wp);    
  	......
}

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2. ondemand模式work进程的创建，回调函数fpm_pctl_on_socket_accept()的部分代码如下：

if (wp->running_children >= wp->config->pm_max_children) {   //判断进程数是否超过最大限制
       ......    
       return;
}
for (child = wp->children; child; child = child->next) { 
   //fpm_request_is_idle函数返回return proc->request_stage == FPM_REQUEST_ACCEPTING
   if (fpm_request_is_idle(child)) { 
       return;   // FPM_REQUEST_ACCEPTING代表处于等待请求阶段
 }
}
...... 
fpm_children_make(wp, 1, 1, 1);//创建work进程

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3. ondemand模式work进程的关闭
   PFM注册了一个定时事件fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance_heartbeat检查当前模式下work进程的运行情况，当空闲进程等待请求时间超过pm_process_idle_timeout后，会对最后一个空闲worker进程发出关闭信号，此操作由主进程进行处理，部分代码如下：

if (wp->config->pm == PM_STYLE_ONDEMAND) {
    struct timeval last, now;    
    if (!last_idle_child) continue;//最后一个idle进程
     ......
    // last.tv_sec为上次接收请求的时间
    if (last.tv_sec < now.tv_sec - wp->config->pm_process_idle_timeout) {
        last_idle_child->idle_kill = 1;
        fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
    }
    continue;
}

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dynamic模式：动态模式

dynamic模式，启动时分配固定数量的work进程，然后随着请求的增加会增加进程数，此模式下几个重要的配置项如下：
max_children 最大进程数
pm_max_spare_servers 允许最大的空闲进程数
min_spare_servers 允许最小的空闲进程数
start_servers 启动时的进程数
执行过程和ondemand模式类似，启动时主进程都会创建一个定时事件来定时检查work的运行状况，不同的是dynamic模式初始化的时候会创建一定数量的进程，而ondemand模式不会创建，部分代码如下：

if (idle > wp->config->pm_max_spare_servers && last_idle_child) {//空闲进程数大于配置的允许空闲最大进程数，则关闭进程
    last_idle_child->idle_kill = 1;
    fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
    ......
}
if (idle < wp->config->pm_min_spare_servers) {//空闲进程数小于配置允许的最小进程数，则创建进程
    if (wp->running_children >= wp->config->pm_max_children) {//如果达到最大上限，则不再创建
        ......
        continue;
    }
     ......
//此处计算出需要扩充的进程数，从wp->idle_spawn_rate, wp->config->pm_min_spare_servers – idle, wp->config->pm_max_children - wp->running_children三个中选出最小的一个作为本次要扩充的进程数进行扩充
if (wp->idle_spawn_rate >= 8) {
        zlog(ZLOG_WARNING, "[pool %s] seems busy (you may need to increase pm.start_servers, or pm.min/max_spare_servers), spawning %d children, there are %d idle, and %d total children", wp->config->name, wp->idle_spawn_rate, idle, wp->running_children);
    }
    if (wp->idle_spawn_rate < FPM_MAX_SPAWN_RATE) {
        wp->idle_spawn_rate *= 2;//当前进程分配基数小于配置值时候，会以2的倍数进行增长
    }
    ......
}

总结

以上就是本人对php-fpm以及php-fpm的三种运行方式的理解，三种运行方式中，
static模式最简单，但是灵活性不够高
ondemand模式相对static模式比较复杂，会根据请求量的增加动态增加，但是处理完请求后不会立即释放，而是由定时事件定时的检测空闲到一定时间的进程才会释放
dynamic模式类似于ondemand模式，但进程的回收机制不同于ondemand模式，会根据idle数量进行增加和减少worker数量

三种运行方式各有自己的优势，用哪种方式更合适，要根据自己的业务场景，选择合适的运行方式