PHP `Fiber` (协程) 调度器实现：用户态异步任务管理

各位观众老爷们，晚上好！我是今天的主讲人，很高兴能和大家一起聊聊 PHP Fiber 的调度器实现，也就是如何在用户态玩转异步任务管理。准备好了吗？咱们这就开始了！

开场白：PHP 的异步之路

PHP，这个曾经被戏称为“世界上最好的语言”，在并发处理方面一直比较弱鸡。传统的 PHP 通常是请求驱动的，一个请求对应一个线程/进程，并发能力受限于服务器资源。虽然可以通过多进程、多线程等方式提高并发，但资源开销大，上下文切换成本高。

后来，各种异步框架（比如 Swoole、ReactPHP）开始崭露头角，它们通过事件循环机制实现了异步非阻塞 I/O，大大提高了 PHP 的并发能力。然而，这些框架往往需要依赖扩展，并且代码风格也与传统的同步代码有所不同。

直到 PHP 8.1 引入了 Fiber，才真正让 PHP 在语言层面具备了协程能力。Fiber 允许我们在用户态进行任务切换，无需依赖扩展，并且可以以更接近同步代码的方式编写异步代码。

什么是 Fiber？

简单来说，Fiber 就是一个轻量级的“线程”。它允许我们将一个函数（或者说一段代码）分割成多个可暂停和恢复的执行单元。与传统的线程不同，Fiber 的切换是由用户代码控制的，而不是由操作系统内核调度。因此，Fiber 的切换开销非常小，可以实现更高的并发性能。

想象一下，你是一个餐厅服务员，同时负责服务多个餐桌。传统的做法是，你只能先服务完一张桌子，才能去服务下一张桌子。但如果有了 Fiber，你可以在服务一张桌子的过程中，如果需要等待（比如等待厨师上菜），就可以先去服务另一张桌子，等厨师上菜后再回来继续服务之前的桌子。这样，你就可以同时服务多张桌子，提高效率。

Fiber 的基本操作

Fiber 提供了几个核心的 API：

Fiber::__construct(callable $callback): 创建一个 Fiber 对象，$callback 是 Fiber 要执行的回调函数。
Fiber::start(...$args): 启动 Fiber，并将参数传递给回调函数。
Fiber::resume(...$args): 恢复 Fiber 的执行，并将参数传递给 Fiber 的当前执行点。
Fiber::suspend(mixed $value = null): 暂停 Fiber 的执行，并返回一个值。
Fiber::getCurrent(): 获取当前正在执行的 Fiber 对象。
Fiber::isStarted(): 检查 Fiber 是否已经启动。
Fiber::isSuspended(): 检查 Fiber 是否已经暂停。
Fiber::isRunning(): 检查 Fiber 是否正在运行。
Fiber::isTerminated(): 检查 Fiber 是否已经结束。
Fiber::getReturn(): 获取 Fiber 的返回值。
Fiber::throw(Throwable $exception): 在 Fiber 中抛出一个异常。

调度器的作用

有了 Fiber，我们就可以创建多个协程任务。但是，如何有效地管理和调度这些任务呢？这就需要一个调度器。

调度器的主要作用是：

管理 Fiber 任务: 维护一个 Fiber 任务队列，记录所有待执行、正在执行、已完成的 Fiber 任务。
调度 Fiber 任务: 决定下一个要执行的 Fiber 任务，并将控制权切换到该 Fiber。
处理 I/O 事件: 监听 I/O 事件（比如 socket 可读、可写），并在事件发生时唤醒相应的 Fiber 任务。
处理定时器: 维护一个定时器队列，并在定时器到期时唤醒相应的 Fiber 任务。

一个简单的调度器实现

下面，我们来一步一步实现一个简单的调度器。为了方便理解，我们先从一个最简单的版本开始，然后再逐步完善。

<?php

class Scheduler
{
    private array $queue = [];

    public function __construct() {
        // 初始化一些东西，比如事件循环，定时器等
    }

    public function add(Fiber $fiber): void
    {
        $this->queue[] = $fiber;
    }

    public function run(): void
    {
        while (!empty($this->queue)) {
            $fiber = array_shift($this->queue);

            if (!$fiber->isStarted()) {
                $fiber->start();
            } elseif (!$fiber->isTerminated()) {
                $fiber->resume();
            }
        }
    }
}

// Example Usage
$scheduler = new Scheduler();

$fiber1 = new Fiber(function () {
    echo "Fiber 1: Startn";
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber 1: Resumen";
});

$fiber2 = new Fiber(function () {
    echo "Fiber 2: Startn";
});

$scheduler->add($fiber1);
$scheduler->add($fiber2);

$scheduler->run();

// Output:
// Fiber 1: Start
// Fiber 2: Start
// Fiber 1: Resume

这个调度器非常简单，它维护一个 Fiber 队列，然后依次执行队列中的 Fiber 任务。如果 Fiber 暂停了，就将其重新添加到队列中，等待下次执行。

加入 I/O 事件处理

上面的调度器只能处理 CPU 密集型的任务，无法处理 I/O 密集型的任务。要处理 I/O 密集型的任务，我们需要加入 I/O 事件处理机制。

这里我们使用 stream_select() 函数来监听 I/O 事件。stream_select() 函数可以同时监听多个 stream 的可读、可写、异常状态，并在有事件发生时返回。

<?php

class Scheduler
{
    private array $queue = [];
    private array $readStreams = [];
    private array $writeStreams = [];

    public function __construct() {
        // 初始化一些东西，比如事件循环，定时器等
    }

    public function add(Fiber $fiber): void
    {
        $this->queue[] = $fiber;
    }

    public function run(): void
    {
        while (!empty($this->queue) || !empty($this->readStreams) || !empty($this->writeStreams)) {
            $this->tick();
        }
    }

    public function tick():void {
        $read = $this->readStreams;
        $write = $this->writeStreams;
        $except = null;
        $timeout = 0;

        if (empty($read) && empty($write)) {
            $timeout = null; // Block indefinitely if no streams to watch
        }

        if (stream_select($read, $write, $except, $timeout) > 0) {
            foreach ($read as $stream) {
                if (isset($this->readStreams[$stream])) {
                    $fiber = $this->readStreams[$stream];
                    unset($this->readStreams[$stream]);
                    $this->queue[] = $fiber; // Put back in the queue to be resumed
                }
            }

            foreach ($write as $stream) {
                if (isset($this->writeStreams[$stream])) {
                    $fiber = $this->writeStreams[$stream];
                    unset($this->writeStreams[$stream]);
                    $this->queue[] = $fiber; // Put back in the queue to be resumed
                }
            }
        }

        // Process the fiber queue
        $fiber = array_shift($this->queue);

        if ($fiber) {
            if (!$fiber->isStarted()) {
                $fiber->start();
            } elseif (!$fiber->isTerminated()) {
                $fiber->resume();
            }
        }

    }

    public function waitForRead(Fiber $fiber, $stream): void
    {
        $this->readStreams[$stream] = $fiber;
    }

    public function waitForWrite(Fiber $fiber, $stream): void
    {
        $this->writeStreams[$stream] = $fiber;
    }
}

// Example Usage
$scheduler = new Scheduler();

$socket = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
stream_set_blocking($socket, false);

$fiber = new Fiber(function () use ($socket, $scheduler) {
    echo "Waiting for connection...n";
    $clientSocket = stream_socket_accept($socket, -1); // Block until connection

    if ($clientSocket) {
        echo "Connection accepted!n";
        $data = fread($clientSocket, 1024);
        echo "Received: " . $data . "n";
        fwrite($clientSocket, "HTTP/1.1 200 OKrnrnHello, Fiber!rn");
        fclose($clientSocket);
    }
});

$scheduler->add($fiber);

$scheduler->run();

fclose($socket);

这个调度器加入了 waitForRead() 和 waitForWrite() 方法，用于将 Fiber 任务注册到 I/O 事件监听器中。当 I/O 事件发生时，调度器会将相应的 Fiber 任务重新添加到队列中，等待下次执行。

加入定时器

除了 I/O 事件，定时器也是异步编程中常用的功能。我们可以使用 usleep() 函数来实现定时器。

<?php

class Scheduler
{
    private array $queue = [];
    private array $readStreams = [];
    private array $writeStreams = [];
    private array $timers = [];

    public function __construct() {
        // 初始化一些东西，比如事件循环，定时器等
    }

    public function add(Fiber $fiber): void
    {
        $this->queue[] = $fiber;
    }

    public function run(): void
    {
        while (!empty($this->queue) || !empty($this->readStreams) || !empty($this->writeStreams) || !empty($this->timers)) {
            $this->tick();
        }
    }

    public function tick():void {
        $read = $this->readStreams;
        $write = $this->writeStreams;
        $except = null;

        // Calculate timeout based on timers
        $timeout = $this->getNextTimerTimeout();

        if (empty($read) && empty($write) && $timeout === null) {
            $timeout = null; // Block indefinitely if no streams or timers to watch
        }

        if (stream_select($read, $write, $except, $timeout) > 0) {
            foreach ($read as $stream) {
                if (isset($this->readStreams[$stream])) {
                    $fiber = $this->readStreams[$stream];
                    unset($this->readStreams[$stream]);
                    $this->queue[] = $fiber; // Put back in the queue to be resumed
                }
            }

            foreach ($write as $stream) {
                if (isset($this->writeStreams[$stream])) {
                    $fiber = $this->writeStreams[$stream];
                    unset($this->writeStreams[$stream]);
                    $this->queue[] = $fiber; // Put back in the queue to be resumed
                }
            }
        }

        // Process timers
        $this->processTimers();

        // Process the fiber queue
        $fiber = array_shift($this->queue);

        if ($fiber) {
            if (!$fiber->isStarted()) {
                $fiber->start();
            } elseif (!$fiber->isTerminated()) {
                $fiber->resume();
            }
        }

    }

    public function waitForRead(Fiber $fiber, $stream): void
    {
        $this->readStreams[$stream] = $fiber;
    }

    public function waitForWrite(Fiber $fiber, $stream): void
    {
        $this->writeStreams[$stream] = $fiber;
    }

    public function setTimeout(Fiber $fiber, int $delay): void
    {
        $this->timers[] = [
            'fiber' => $fiber,
            'expiry' => microtime(true) + ($delay / 1000), // Store expiry as Unix timestamp
        ];
        usort($this->timers, function ($a, $b) {
            return $a['expiry'] <=> $b['expiry']; // Sort by expiry time
        });
    }

    private function getNextTimerTimeout(): ?float
    {
        if (empty($this->timers)) {
            return null;
        }

        $nextTimer = reset($this->timers);
        $now = microtime(true);
        $timeout = $nextTimer['expiry'] - $now;

        return max(0, $timeout); // Ensure timeout is not negative
    }

    private function processTimers(): void
    {
        $now = microtime(true);

        foreach ($this->timers as $key => $timer) {
            if ($timer['expiry'] <= $now) {
                $this->queue[] = $timer['fiber'];
                unset($this->timers[$key]);
            } else {
                break; // Timers are sorted, so no need to check further
            }
        }

        // Re-index the timers array after unsetting expired timers
        $this->timers = array_values($this->timers);
    }
}

// Example Usage
$scheduler = new Scheduler();

$fiber1 = new Fiber(function () use ($scheduler) {
    echo "Fiber 1: Startn";
    $scheduler->setTimeout(Fiber::getCurrent(), 1000); // Wait 1 second
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber 1: After timeoutn";
});

$fiber2 = new Fiber(function () {
    echo "Fiber 2: Startn";
});

$scheduler->add($fiber1);
$scheduler->add($fiber2);

$scheduler->run();

// Output (approximately):
// Fiber 1: Start
// Fiber 2: Start
// Fiber 1: After timeout

这个调度器加入了 setTimeout() 方法，用于设置定时器。当定时器到期时，调度器会将相应的 Fiber 任务重新添加到队列中，等待下次执行。

更高级的调度器特性

除了上面介绍的基本功能，一个更完善的调度器还可以具备以下特性：

优先级调度: 允许为 Fiber 任务设置优先级，优先执行优先级高的任务。
任务取消: 允许取消正在执行或等待执行的 Fiber 任务。
异常处理: 统一处理 Fiber 任务中抛出的异常。
上下文管理: 允许在 Fiber 任务之间传递上下文信息。
调试支持: 提供调试工具，方便开发者调试异步代码。

总结

PHP Fiber 的调度器实现是一个复杂而有趣的话题。通过用户态的异步任务管理，我们可以充分利用服务器资源，提高 PHP 的并发能力。虽然本文介绍的只是一个简单的调度器实现，但它足以帮助你理解 Fiber 的基本原理和调度器的作用。

希望今天的讲座对你有所帮助！如果你对 Fiber 还有其他问题，欢迎提问。我们下次再见！

表格总结：Fiber API

方法名	作用
`Fiber::__construct()`	创建一个 Fiber 对象。
`Fiber::start()`	启动 Fiber。
`Fiber::resume()`	恢复 Fiber 的执行。
`Fiber::suspend()`	暂停 Fiber 的执行。
`Fiber::getCurrent()`	获取当前正在执行的 Fiber 对象。
`Fiber::isStarted()`	检查 Fiber 是否已经启动。
`Fiber::isSuspended()`	检查 Fiber 是否已经暂停。
`Fiber::isRunning()`	检查 Fiber 是否正在运行。
`Fiber::isTerminated()`	检查 Fiber 是否已经结束。
`Fiber::getReturn()`	获取 Fiber 的返回值。
`Fiber::throw()`	在 Fiber 中抛出一个异常。

后记：异步编程的未来

随着 PHP 8.1 引入 Fiber，PHP 的异步编程之路变得更加光明。相信在不久的将来，Fiber 将会成为 PHP 异步编程的主流选择。让我们一起期待 PHP 在并发处理方面取得更大的突破！

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