Swoole之Hyperf

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传统Nginx+PHP-FPM架构

PHP-FPM并发模型

在网络应用场景下，PHP并没有向Golang那样去实现http网络库，而是实现了FastCGI协议，然后通过web服务器配合实现了http的处理。web服务器来处理http请求，然后将解析的结果再通过FastCGI协议转发给处理程序，处理程序处理完成后将结果返回给web服务器，web服务器再返回给客户。

PHP-FPM是经典的多进程并发模型，即Master/Worker模型。Master进程与Worker进程之间不会直接进行通信，Master进程只负责Fork和管理子进程，网络请求由子进程处理，一个Worker进程同时只能处理一个请求。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。

PHP-FPM初始化启动和Worker处理请求

PHP-FPM从初始化启动到Worker请求处理大概涉及以下步骤

  • fpm_init() Master读取php-fpm.conf文件初始化内存配置变量、创建管道、套接字、启动事件管理
  • fpm_run() Master进程fork出子进程后阻塞，Worker进程去accept请求，执行php脚本
  1. 等待请求 Worker进程阻塞在fagi_accept_request()等待请求
  2. 解析请求 fastcgi请求到达后被worker接收，然后开始接收并解析请求数据，直到request数据完全到达
  3. 请求初始化 执行php_request_startup()，此阶段会调用每个扩展的PHP_RINIT_FUNCTION();
  4. 编译，执行 由php_execute_script()完成PHP脚本的编译、执行
  5. 关闭请求 请求完成后执行php_request_shutdown()，此阶段会调用每个扩展的PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION()，然后进入步骤1等待下一个请求。

生成的语法树和opcode，同一个PHP脚本每次运行的结果都是一样的，在PHP-FPM模式下，每次请求都要处理一遍，是对系统资源极大的浪费

Laravel框架的性能问题

Laravel是fpm社区里面非常受欢迎的一款web框架，结合composer管理开发组件，可以帮助开发者在框架提供的多种优秀组件(ORM,Router,Middleware,Artisan,....)和解决方案在PSR-4规范下高效的进行Web服务端的开发。 所以有人说，如果Wordpress让PHP焕发了第一春，那么Composer让PHP焕发了第二春。

虽然laravel框架开发起来简单高效，中文社区也非常活跃，生态丰富。但是用laravel开发的应用性能问题却一直被反复提及。造成Laravel性能问题的主要原因有以下几点

  • 框架代码的深度封装，导致把fpm模式下框架启动需要加载大量类和文件的性能问题放大(ps:需要new太多类，每次new一个类都要autoloader找到类所在文件再require)
  • 每一次请求都会将所有的路由和配置全部加在到内存中，即便这次请求可能用不到(ps:这其实也要归咎于fpm一次请求结束后就会销毁内存的特性)
  • 在框架启动时会调用composer autoload，按照classmap、prs-4、psr-0等规范生成所有类的引入路径

所以针对Laravel进行性能优化的方向也就是针对以上几点来进行的:

  • 服务器启用PHP-OPcache扩展缓存。
  • 使用php artisan route:cache，php artisan config:cache等缓存命令。
  • 通过composer install --optimize-autoloader --no-dev初始化项目依赖，以便加速Composer定位指定类对应的加载文件，同时不安装开发环境使用的依赖。

FPM架构的局限

  • 多进程并发模型带来的单台服务器性能局限。
  • 只能开发HTTP服务器，如果需要WebSocket，TCP等其他协议的服务器怎么办。
  • 服务处理中的内存状态无法持久化，绝大多数只能开发无状态服务，有状态服务需要借助本地文件或者mmap方式来实现。

Swoole - PHP的高性能通信引擎扩展

什么是Swoole

Swoole 是一个使用 C++ 语言编写的基于异步事件驱动和协程的并行网络通信引擎，为 PHP 提供协程、高性能网络编程支持。提供了多种通信协议的网络服务器和客户端模块，可以方便快速的实现 TCP/UDP服务、高性能Web、WebSocket服务、物联网、实时通讯、游戏、微服务等，使 PHP 不再局限于传统的 Web 领域。

Swoole的出现可以打开上述FPM所面临的局限

  • Swoole是通过cli模式启动的常驻内存服务，通过自身提供的异步/协程服务端可以提高单机服务的并发性能（即便是同步I/O的服务性能也会有较大提升）
  • Swoole提供了多种通信协议的网络服务器，包括TCP、UDP、HTTP、WebSocket、MQTT
  • Swoole提供该性能共享内存SwooleTable、进程间无锁计数器Atomic、进程间API等方式保证有状态服务进程间的同步
  • 底层hook原生PHP函数，使其能够更好的运行在协程server内(底层替换了ZendVM Stream的函数指针，所有使用php_stream进行socket操作均变成协程调度的异步IO)

协程风格的 Swoole - HTTP 服务端

use Swoole\Coroutine\Http\Server;
use function Swoole\Coroutine\run;

run(function() {
	$server = new Server('127.0.0.1', 9502, false);
	$server->handle('/test', function($request, $response) {
		Co::sleep(1);
		$response->end("test");
    });

	$server->handle('/stop', function($request, $response) use ($server) {
		$response->end("
Stop
");
		$server->shutdown();
    });

	$server->start();
});

协程风格的 Swoole - TCP 服务端

use Swoole\Process;
use Swoole\Coroutine;
use Swoole\Coroutine\Server\Connection;

//多进程管理模块
$pool = new Process\Pool(2);

//让每个 OnWorkerStart 回调都自动创建一个协程
$pool->set(['enable_coroutine' =>  true]);

$pool->on('workerStart', function($pool, $id) {
	//每个进程都监听 9501 端口
	$server = new Swoole\Coroutine\Server('127.0.0.1', 9501, false, true);

	//收到 15 信号关闭服务
	Process::signal(SIGTERM, function() use ($server) {
		$server->shutdown();
    });

	//接收到新的连接请求 并自动创建一个协程
	$server->handle(function (Connection $conn) {
		while(true) {
			//接收数据
			$data = $conn->recv(10);

			if ($data === '' || $data === false) {
				$errCode = swoole_last_error();
				$errMsg = socket_strerror($errCode);
				echo "ErrCode: {$errCode}, ErrMsg: {$errMsg}\n";
				$conn->close();
				break();
            }

			//发送数据
			$conn->send('hello');

			Coroutine::sleep(1);
        }
    });

	//开始监听端口
	$server->start();
});

$pool->start();

Swoole服务端进程线程结构图

Swoole服务端进程线程结图

swoole_process

SWOOLE_PROCESS 模式的 Server 所有客户端的 TCP 连接都是和主进程建立的，内部实现比较复杂，用了大量的进程间通信、进程管理机制。适合业务逻辑非常复杂的场景。Swoole 提供了完善的进程管理、内存保护机制。 在业务逻辑非常复杂的情况下，也可以长期稳定运行。

优点:

  • 连接与数据请求发送是分离的，不会因为某些连接数据量大某些连接数据量小导致 Worker 进程不均衡
  • Worker 进程发生致命错误时，连接并不会被切断
  • 可实现单连接并发，仅保持少量 TCP 连接，请求可以并发地在多个 Worker 进程中处理

缺点:

  • 存在 2 次 IPC 的开销，master 进程与 worker 进程需要使用 unixSocket 进行通信

swoole_base

SWOOLE_BASE 这种模式就是传统的异步非阻塞 Server。与 Nginx 和 Node.js 等程序是完全一致的。

BASE 模式下没有 Master 进程的角色，只有 Manager 进程的角色。 每个 Worker 进程同时承担了 SWOOLE_PROCESS 模式下 Reactor 线程和 Worker 进程两部分职责。

优点:

  • BASE 模式没有 IPC 开销，性能更好
  • BASE 模式代码更简单，不容易出错

缺点:

  • TCP 连接是在 Worker 进程中维持的，所以当某个 Worker 进程挂掉时，此 Worker 内的所有连接都将被关闭
  • 少量 TCP 长连接无法利用到所有 Worker 进程
  • TCP 连接与 Worker 是绑定的，长连接应用中某些连接的数据量大，这些连接所在的 Worker 进程负载会非常高。但某些连接数据量小，所以在 Worker 进程的负载会非常低，不同的 Worker 进程无法实现均衡。
  • 如果回调函数中有阻塞操作会导致 Server 退化为同步模式，此时容易导致 TCP 的 backlog 队列塞满问题。

Swoole Coroutine 和 Go Coroutine的区别

  • swoole的协程需要再协程上下文中使用
  • swoole的协程是通过hook底层php函数实现的，go是原生支持的
  • swoole是单线程协程，同一时间只会调度一个协程，而go是多线程实现的
$n = 4;
for ($i = 0; $i < $n; $i++) {
  go(function() use($i) {
  	//模拟 IO 等待
  	Co::sleep(1);
  
  	echo microtime(true) . ": hello $i " . PHP_EOL;
  });
};

echo "hello main \n";
  
\Swoole\Event::wait();

Hyperf - 基于 Swoole 的 PHP 协程框架

Hyperf 的出现是为了解决Swoole门槛高，上手难的问题。结合Composer组件，帮助使用者以低成本打造一套高性能的灵活的应用服务。

Hyperf特性

  • Hyperf内置大量的协程组件，以保证请求不回退化到阻塞模式。
  • Hyperf支持多端口监听，可同时启动HTTP和WebSocket端口
  • 支持jsonRPC，gRPC微服务配套设施（熔断、降级、配置中心、链路追踪、Metric监控等）
  • 因为是常驻内存的服务，所以引入连接池（Mysql、Redis、GuzzleHttp）
  • ORM 基于Laravel ORM进行改造，从Laravel/Lumen 移植过来非常顺畅

依赖注入

Hyperf/DI 是框架中管理对象类创建和依赖关系的组件，也是实现 注解 和 AOP 功能的关键。 DI中管理的对象都是用于服务长生命周期的单例对象，短生命周期使用make()方法创建。 依据创建对象的需求不同可分为以下三种注入方式

  • 简单对象注入
  • 抽象对象注入
  • 工厂对象注入

注解 和 AOP

Hyperf基于AOP和注解实现了诸多框架基础功能，如

  • 依赖注入 @Inject()
  • 路由定义 @AutoController()
  • 中间件 @Middleware(FooMiddleware::class)
  • 缓存 @Cacheable(prefix="test", ttl=9000, listener="test-update")

事件机制和生命周期

Hyperf的事件机制存在于框架启动时，能够帮助用户更好的和框架配合完成逻辑的解耦，例如DBqueryLisenner。 在处理每个连接时，会默认创建一个协程去处理，主要体现在 onRequest、onReceive、onConnect 事件，所以可以理解为每个请求都是一个协程，由于创建协程也是个常规操作，所以一个请求协程里面可能会包含很多个协程，同一个进程内协程之间是内存共享的，但调度顺序是非顺序的，且协程间本质上是相互独立的没有父子关系，所以对每个协程的状态处理都需要通过协程上下文来管理。

The Last - 写在最后

这次分享不是不是为了比较一个高低，不是说FPM模式下的开发方式和项目就不好，而是想表达fpm可能已经不适合当下追求并发，尽可能榨取服务器CPU性能的要求了。Swoole在php原生语法简单高效的基础上，为php搭建了基于协程（异步非阻塞）的运行模式，再加上Hyperf这样组件化的成熟框架，使得上手Swoole不在困难。让大家了解到这种开发方式的可能性就可以了。

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