[连载] Socket 深度探索 4 PHP (一)

长平狐 发布于 2012/11/19 15:10
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Socket(套接字)一直是网络层的底层核心内容,也是 TCP/IP 以及 UDP 底层协议的实现通道。随着互联网信息时代的爆炸式发展,当代服务器的性能问题面临越来越大的挑战,著名的 C10K 问题(http://www.kegel.com/c10k.html)也随之出现。幸亏通过大牛们的不懈努力,区别于传统的 select/poll 的 epoll/kqueue 方式出现了,目前 linux2.6 以上的内核都普遍支持,这是 Socket 领域一项巨大的进步,不仅解决了 C10K 问题,也渐渐成为了当代互联网的底层核心技术。libevent 库就是其中一个比较出彩的项目(现在非常多的开源项目都有用到,包括 Memcached),感兴趣的朋友可以研究一下。

由于网络上系统介绍这个部分的文章并不多,而涉及 PHP 的就更少了,所以石头君在这里希望通过《Socket深度探究4PHP》这个系列给对这个领域感兴趣的读者们一定的帮助,也希望大家能和我一起对这个问题进行更深入的探讨。首先,解释一下目前 Socket 领域比较易于混淆的概念有:阻塞/非阻塞、同步/异步、多路复用等。

1、阻塞/非阻塞:这两个概念是针对 IO 过程中进程的状态来说的,阻塞 IO 是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起;相反,非阻塞指在不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。

2、同步/异步:这两个概念是针对调用如果返回结果来说的,所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回;相反,当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果,实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。

3、多路复用(IO/Multiplexing):为了提高数据信息在网络通信线路中传输的效率,在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道,同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术。对于 Socket 来说,应该说能同时处理多个连接的模型都应该被称为多路复用,目前比较常用的有 select/poll/epoll/kqueue 这些 IO 模型(目前也有像 Apache 这种每个连接用单独的进程/线程来处理的 IO 模型,但是效率相对比较差,也很容易出问题,所以暂时不做介绍了)。在这些多路复用的模式中,异步阻塞/非阻塞模式的扩展性和性能最好。

感觉概念很抽象对吧,“一切答案在于现场”,下面让我们从三种经典的 PHP Socket IO 模型实例来对以上的概念再做一次分析:

1、使用 accept 阻塞的古老模型:属于同步阻塞 IO 模型,代码如下:

socket_server.php

<?php
/**
 * SocketServer Class
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
**/
set_time_limit(0);
class SocketServer 
{
	private static $socket;
	function SocketServer($port) 
	{
		global $errno, $errstr;
		if ($port < 1024) {
			die("Port must be a number which bigger than 1024/n");
		}
		
		$socket = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:{$port}", $errno, $errstr);
		if (!$socket) die("$errstr ($errno)");
		
//		stream_set_timeout($socket, -1); // 保证服务端 socket 不会超时,似乎没用:)
		
		while ($conn = stream_socket_accept($socket, -1)) { // 这样设置不超时才油用
			static $id = 0;
			static $ct = 0;
			$ct_last = $ct;
			$ct_data = '';
			$buffer = '';
			$id++; // increase on each accept
			echo "Client $id come./n";
			while (!preg_match('//r?/n/', $buffer)) { // 没有读到结束符,继续读
//				if (feof($conn)) break; // 防止 popen 和 fread 的 bug 导致的死循环
				$buffer = fread($conn, 1024);
				echo 'R'; // 打印读的次数
				$ct += strlen($buffer);
				$ct_data .= preg_replace('//r?/n/', '', $buffer);
			}
			$ct_size = ($ct - $ct_last) * 8;
			echo "[$id] " . __METHOD__ . " > " . $ct_data . "/n";
			fwrite($conn, "Received $ct_size byte data./r/n");
			fclose($conn);
		}
		
		fclose($socket);
	}
}
new SocketServer(2000);

socket_client.php
<?php
/**
 * Socket Test Client
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
**/
function debug ($msg)
{
//	echo $msg;
	error_log($msg, 3, '/tmp/socket.log');
}
if ($argv[1]) {
	
	$socket_client = stream_socket_client('tcp://0.0.0.0:2000', $errno, $errstr, 30);
	
//	stream_set_blocking($socket_client, 0);
//	stream_set_timeout($socket_client, 0, 100000);
	
	if (!$socket_client) {
		die("$errstr ($errno)");
	} else {
		$msg = trim($argv[1]);
		for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
			$res = fwrite($socket_client, "$msg($i)");
			usleep(100000);
			echo 'W'; // 打印写的次数
//			debug(fread($socket_client, 1024)); // 将产生死锁,因为 fread 在阻塞模式下未读到数据时将等待
		}
		fwrite($socket_client, "/r/n"); // 传输结束符
		debug(fread($socket_client, 1024));
		fclose($socket_client);
	}
}
else {
	
//	$phArr = array();
//	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
//		$phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." '{$i}:test'", 'r');
//	}
//	foreach ($phArr as $ph) {
//		pclose($ph);
//	}
	
	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
		system("php ".__FILE__." '{$i}:test'");
	}
}

首先,解释一下以上的代码逻辑:客户端 socket_client.php 循环发送数据,最后发送结束符;服务端 socket_server.php 使用 accept 阻塞方式接收 socket 连接,然后循环接收数据,直到收到结束符,返回结果数据(接收到的字节数)。虽然逻辑很简单,但是其中有几种情况很值得分析一下:

A> 默认情况下,运行 php socket_client.php test,客户端打出 10 个 W,服务端打出若干个 R 后面是接收到的数据,/tmp/socket.log 记录下服务端返回的接收结果数据。这种情况很容易理解,不再赘述。然后,使用 telnet 命令同时打开多个客户端,你会发现服务器一个时间只处理一个客户端,其他需要在后面“排队”;这就是阻塞 IO 的特点,这种模式的弱点很明显,效率极低。

B> 只打开 socket_client.php 第 26 行的注释代码,再次运行 php socket_client.php test 客户端打出一个 W,服务端也打出一个 R,之后两个程序都卡住了。这是为什么呢,分析逻辑后你会发现,这是由于客户端在未发送结束符之前就向服务端要返回数据;而服务端由于未收到结束符,也在向客户端要结束符,造成死锁。而之所以只打出一个 W 和 R,是因为 fread 默认是阻塞的。要解决这个死锁,必须打开 socket_client.php 第 16 行的注释代码,给 socket 设置一个 0.1 秒的超时,再次运行你会发现隔 0.1 秒出现一个 W 和 R 之后正常结束,服务端返回的接收结果数据也正常记录了。可见 fread 缺省是阻塞的,我们在编程的时候要特别注意,如果没有设置超时,就很容易会出现死锁。

C> 只打开 15 行注释,运行 php socket_client.php test,结果基本和情况 A 相同,唯一不同的是 /tmp/socket.log 没有记录下返回数据。这里可以看出客户端运行在阻塞和非阻塞模式的区别,当然在客户端不在乎接受结果的情况下,可以使用非阻塞模式来获得最大效率。

D> 运行 php socket_client.php 是连续运行 10 次上面的逻辑,这个没什么问题;但是很奇怪的是如果你使用 35 - 41 行的代码,用 popen 同时开启 10 个进程来运行,就会造成服务器端的死循环,十分怪异!后来经调查发现只要是用 popen 打开的进程创建的连接会导致 fread 或者 socket_read 出错直接返回空字串,从而导致死循环,查阅 PHP 源代码后发现 PHP 的 popen 和 fread 函数已经完全不是 C 原生的了,里面都插入了大量的 php_stream_* 实现逻辑,初步估计是其中的某个 bug 导致的 Socket 连接中断所导致的,解决方法就是打开 socket_server.php 中 31 行的代码,如果连接中断则跳出循环,但是这样一来就会有很多数据丢失了,这个问题需要特别注意!

2、使用 select/poll 的同步模型:属于同步非阻塞 IO 模型,代码如下:

select_server.php
<?php
/**
 * SelectSocketServer Class
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
**/
set_time_limit(0);
class SelectSocketServer 
{
	private static $socket;
	private static $timeout = 60;
	private static $maxconns = 1024;
	private static $connections = array();
	function SelectSocketServer($port) 
	{
		global $errno, $errstr;
		if ($port < 1024) {
			die("Port must be a number which bigger than 1024/n");
		}
		
		$socket = socket_create_listen($port);
		if (!$socket) die("Listen $port failed");
		
		socket_set_nonblock($socket); // 非阻塞
		
		while (true) 
		{
			$readfds = array_merge(self::$connections, array($socket));
			$writefds = array();
			
			// 选择一个连接,获取读、写连接通道
			if (socket_select($readfds, $writefds, $e = null, $t = self::$timeout)) 
			{
				// 如果是当前服务端的监听连接
				if (in_array($socket, $readfds)) {
					// 接受客户端连接
					$newconn = socket_accept($socket);
					$i = (int) $newconn;
					$reject = '';
					if (count(self::$connections) >= self::$maxconns) {
						$reject = "Server full, Try again later./n";
					}
					// 将当前客户端连接放入 socket_select 选择
					self::$connections[$i] = $newconn;
					// 输入的连接资源缓存容器
					$writefds[$i] = $newconn;
					// 连接不正常
					if ($reject) {
						socket_write($writefds[$i], $reject);
						unset($writefds[$i]);
						self::close($i);
					} else {
						echo "Client $i come./n";
					}
					// remove the listening socket from the clients-with-data array
					$key = array_search($socket, $readfds);
					unset($readfds[$key]);
				}
				
				// 轮循读通道
				foreach ($readfds as $rfd) {
					// 客户端连接
					$i = (int) $rfd;
					// 从通道读取
					$line = @socket_read($rfd, 2048, PHP_NORMAL_READ);
					if ($line === false) {
						// 读取不到内容,结束连接          
						echo "Connection closed on socket $i./n";
						self::close($i);
						continue;
					}
					$tmp = substr($line, -1);
					if ($tmp != "/r" && $tmp != "/n") {
						// 等待更多数据
						continue;
					}
					// 处理逻辑
					$line = trim($line);
					if ($line == "quit") {
						echo "Client $i quit./n";
						self::close($i);
						break;
					}
					if ($line) {
						echo "Client $i >>" . $line . "/n";
					}
				}
				
				// 轮循写通道
				foreach ($writefds as $wfd) {
					$i = (int) $wfd;
					$w = socket_write($wfd, "Welcome Client $i!/n");
				}
			}
		}
	}
	
	function close ($i) 
	{
		socket_shutdown(self::$connections[$i]);
		socket_close(self::$connections[$i]);
		unset(self::$connections[$i]);
	}
}
new SelectSocketServer(2000);

select_client.php
<?php
/**
 * SelectSocket Test Client
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
**/
function debug ($msg)
{
//	echo $msg;
	error_log($msg, 3, '/tmp/socket.log');
}
if ($argv[1]) {
	
	$socket_client = stream_socket_client('tcp://0.0.0.0:2000', $errno, $errstr, 30);
	
//	stream_set_timeout($socket_client, 0, 100000);
	
	if (!$socket_client) {
		die("$errstr ($errno)");
	} else {
		$msg = trim($argv[1]);
		for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
			$res = fwrite($socket_client, "$msg($i)/n");
			usleep(100000);
//			debug(fread($socket_client, 1024)); // 将产生死锁,因为 fread 在阻塞模式下未读到数据时将等待
		}
		fwrite($socket_client, "quit/n"); // add end token
		debug(fread($socket_client, 1024));
		fclose($socket_client);
	}
}
else {
	
	$phArr = array();
	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
		$phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." '{$i}:test'", 'r');
	}
	foreach ($phArr as $ph) {
		pclose($ph);
	}
	
//	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
//		system("php ".__FILE__." '{$i}:test'");
//	}
}

以上代码的逻辑也很简单,select_server.php 实现了一个类似聊天室的功能,你可以使用 telnet 工具登录上去,和其他用户文字聊天,也可以键入“quit”命令离开;而 select_client.php 则模拟了一个登录用户连续发 10 条信息,然后退出。这里也分析两个问题:

A> 这里如果我们执行 php select_client.php 程序将会同时打开 10 个连接,同时进行模拟登录用户操作;观察服务端打印的数据你会发现服务端确实是在同时处理这些连接,这就是多路复用实现的非阻塞 IO 模型,当然这个模型并没有真正的实现异步,因为最终服务端程序还是要去通道里面读取数据,得到结果后同步返回给客户端。如果这次你也使用 telnet 命令同时打开多个客户端,你会发现服务端可以同时处理这些连接,这就是非阻塞 IO,当然比古老的阻塞 IO 效率要高多了,但是这种模式还是有局限的,继续看下去你就会发现了~

B> 我在 select_server.php 中设置了几个参数,大家可以调整试试:
$timeout :表示的是 select 的超时时间,这个一般来说不要太短,否则会导致 CPU 负载过高。
$maxconns :表示的是最大连接数,客户端超过这个数的话,服务器会拒绝接收。这里要提到的一点是,由于 select 是通过句柄来读写的,所以会受到系统默认参数 __FD_SETSIZE 的限制,一般默认值为 1024,修改的话需要重新编译内核;另外通过测试发现 select 模式的性能会随着连接数的增大而线性便差(详情见《Socket深度探究4PHP(二)》),这也就是 select 模式最大的问题所在,所以如果是超高并发服务器建议使用下一种模式。

3、使用 epoll/kqueue 的异步模型:属于异步阻塞/非阻塞 IO 模型,代码如下:

epoll_server.php
<?php
/**
 * EpollSocketServer Class (use libevent)
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
 * 
 * Defined constants:
 * 
 * EV_TIMEOUT (integer)
 * EV_READ (integer)
 * EV_WRITE (integer)
 * EV_SIGNAL (integer)
 * EV_PERSIST (integer)
 * EVLOOP_NONBLOCK (integer)
 * EVLOOP_ONCE (integer)
**/
set_time_limit(0);
class EpollSocketServer
{
	private static $socket;
	private static $connections;
	private static $buffers;
	
	function EpollSocketServer ($port)
	{
		global $errno, $errstr;
		
		if (!extension_loaded('libevent')) {
			die("Please install libevent extension firstly/n");
		}
		
		if ($port < 1024) {
			die("Port must be a number which bigger than 1024/n");
		}
		
		$socket_server = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:{$port}", $errno, $errstr);
		if (!$socket_server) die("$errstr ($errno)");
		
		stream_set_blocking($socket_server, 0); // 非阻塞
		
		$base = event_base_new();
		$event = event_new();
		event_set($event, $socket_server, EV_READ | EV_PERSIST, array(__CLASS__, 'ev_accept'), $base);
		event_base_set($event, $base);
		event_add($event);
		event_base_loop($base);
		
		self::$connections = array();
		self::$buffers = array();
	}
	
	function ev_accept($socket, $flag, $base) 
	{
		static $id = 0;
	
		$connection = stream_socket_accept($socket);
		stream_set_blocking($connection, 0);
	
		$id++; // increase on each accept
	
		$buffer = event_buffer_new($connection, array(__CLASS__, 'ev_read'), array(__CLASS__, 'ev_write'), array(__CLASS__, 'ev_error'), $id);
		event_buffer_base_set($buffer, $base);
		event_buffer_timeout_set($buffer, 30, 30);
		event_buffer_watermark_set($buffer, EV_READ, 0, 0xffffff);
		event_buffer_priority_set($buffer, 10);
		event_buffer_enable($buffer, EV_READ | EV_PERSIST);
	
		// we need to save both buffer and connection outside
		self::$connections[$id] = $connection;
		self::$buffers[$id] = $buffer;
	}
	
	function ev_error($buffer, $error, $id) 
	{
		event_buffer_disable(self::$buffers[$id], EV_READ | EV_WRITE);
		event_buffer_free(self::$buffers[$id]);
		fclose(self::$connections[$id]);
		unset(self::$buffers[$id], self::$connections[$id]);
	}
	
	function ev_read($buffer, $id) 
	{
		static $ct = 0;
		$ct_last = $ct;
		$ct_data = '';
		while ($read = event_buffer_read($buffer, 1024)) {
			$ct += strlen($read);
			$ct_data .= $read;
		}
		$ct_size = ($ct - $ct_last) * 8;
		echo "[$id] " . __METHOD__ . " > " . $ct_data . "/n";
		event_buffer_write($buffer, "Received $ct_size byte data./r/n");
	}
	
	function ev_write($buffer, $id) 
	{
		echo "[$id] " . __METHOD__ . "/n";
	}
}
new EpollSocketServer(2000);

epoll_client.php
<?php
/**
 * EpollSocket Test Client
 * By James.Huang <shagoo#gmail.com>
**/
function debug ($msg)
{
//	echo $msg;
	error_log($msg, 3, '/tmp/socket.log');
}
if ($argv[1]) {
	$socket_client = stream_socket_client('tcp://0.0.0.0:2000', $errno, $errstr, 30);
//	stream_set_blocking($socket_client, 0);
	if (!$socket_client) {
		die("$errstr ($errno)");
	} else {
		$msg = trim($argv[1]);
		for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
			$res = fwrite($socket_client, "$msg($i)");
			usleep(100000);
			debug(fread($socket_client, 1024));
		}
		fclose($socket_client);
	}
}
else {
	
	$phArr = array();
	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
		$phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." '{$i}:test'", 'r');
	}
	foreach ($phArr as $ph) {
		pclose($ph);
	}
	
//	for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
//		system("php ".__FILE__." '{$i}:test'");
//	}
}

先说一下,以上的例子是基于 PHP 的 libevent 扩展实现的,需要运行的话要先安装此扩展,参考:http://pecl.php.net/package/libevent。

这个例子做的事情和前面介绍的第一个模型一样,epoll_server.php 实现的服务端也是接受客户端数据,然后返回结果(接收到的字节数)。但是,当你运行 php epoll_client.php 的时候你会发现服务端打印出来的结果和 accept 阻塞模型就大不一样了,当然运行效率也有极大的提升,这是为什么呢?接下来就介绍一下 epoll/kqueue 模型:在介绍 select 模式的时候我们提到了这种模式的局限,而 epoll 就是为了解决 poll 的这两个缺陷而生的。首先,epoll 模式基本没有限制(参考 cat /proc/sys/fs/file-max 默认就达到 300K,很令人兴奋吧,其实这也就是所谓基于 epoll 的 Erlang 服务端可以同时处理这么多并发连接的根本原因,不过现在 PHP 理论上也可以做到了,呵呵);另外,epoll 模式的性能也不会像 select 模式那样随着连接数的增大而变差,测试发现性能还是很稳定的(下篇会有详细介绍)。

epoll 工作有两种模式 LT(level triggered) 和 ET(edge-triggered),前者是缺省模式,同时支持阻塞和非阻塞 IO 模式,虽然性能比后者差点,但是比较稳定,一般来说在实际运用中,我们都是用这种模式(ET 模式和 WinSock 都是纯异步非阻塞模型)。而另外一点要说的是 libevent 是在编译阶段选择系统的 I/O demultiplex 机制的,不支持在运行阶段根据配置再次选择,所以我们在这里也就不细讨论 libevent 的实现的细节了,如果朋友有兴趣进一步了解的话,请参考:http://monkey.org/~provos/libevent/。

到这里,第一部分的内容结束了,相信大家已经了解了 Socket 编程的几个重点概念和一些实战技巧,在下一篇《 Socket深度探究4PHP(二) 》我将会对 select/poll/epoll/kqueue 几种模式做一下深入的介绍和对比,另外也会涉及到两种重要的 I/O 多路复用模式:Reactor 和 Proactor 模式。

To be continued ...


原文链接:http://blog.csdn.net/shagoo/article/details/6396089
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