PHP七天系列之进程,线程,协程

概念

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进程 就是二进制可执行文件在计算机内存里的一个运行实例，就好比你的.exe文件是个类，进程就是new出来的那个实例。

进程是计算机系统进行资源分配和调度的基本单位（调度单位这里别纠结线程进程的），每个CPU下同一时刻只能处理一个进程。

首先进程被切换的条件是：进程执行完毕、分配给进程的CPU时间片结束，系统发生中断需要处理，或者进程等待必要的资源（进程阻塞）等。你想下，前面几种情况自然没有什么话可说，但是如果是在阻塞等待，是不是就浪费了。

其实阻塞的话我们的程序还有其他可执行的地方可以执行，不一定要傻傻的等！所以就有了线程.

线程 简单理解就是一个『微进程』，专门跑一个函数（逻辑流）。线程有两种类型，一种是由内核来管理和调度。一种线程，他的调度是由程序员自己写程序来管理的，对内核来说不可见。这种线程叫做『用户空间线程』。

协程 可以理解就是一种用户空间线程。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。

协程，有几个特点：

• 协同，因为是由程序员自己写的调度策略，其通过协作而不是抢占来进行切换
• 在用户态完成创建，切换和销毁
• ⚠️ 从编程角度上看，协程的思想本质上就是控制流的主动让出（yield）和恢复（resume）机制
• generator经常用来实现协程

并发 是指能处理多个同事活动的能力, 并发事件之间不一定要同一时刻发生。
并行 是指同时刻发生的两个并发时间,具有并发的含义,但并发不一定并行。

• 『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

实现

1.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);
  }
}

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。

2. 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。

3. 迭代器
   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

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()
}

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 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;
}

迭代器实现 xrange

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，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";

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）

4. 生成器

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。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。

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);
}

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，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。

5. yield 关键字

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。

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。

function printer()
{
    while (true) {
        printf("receive: %s\n", yield);
    }
}
$printer = printer();
$printer->send('hello');
$printer->send('world');
// 输出
receive: hello
receive: world
    
// yeild 不仅可以传递值还可以返回值 
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。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。

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。

6. 协程

进程的调度是由外层调度器抢占式实现的

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

stack : 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

协程的实现

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();
    }
}

调度器，比 foreach 是要复杂一点，但好歹也能算个正儿八经的 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);
            }
        }
    }
}

使用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();

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：

 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;
    }
}