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PHP `Coroutine` (协程) 调度器实现：非阻塞 I/O 与 `Event Loop` 集成

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊 PHP 协程调度器，一个听起来高深莫测，但其实挺有意思的话题。我们争取用最接地气的语言，把这个概念掰开了揉碎了讲清楚。

开场白：PHP 的困境与协程的救赎

话说 PHP，在 Web 开发界那可是响当当的人物，简单易上手，开发效率高。但凡事都有个瓶颈，那就是它的阻塞 I/O 模型。

想象一下，你写了个 PHP 程序，要从数据库读取数据。PHP 吭哧吭哧地发出请求，然后就傻乎乎地等着数据库返回结果，这期间 CPU 就闲着没事干，只能干瞪眼。这种情况下，你的服务器只能同时处理很少的请求，性能那是相当的捉急。

这时候，协程就如同救世主一般出现了。协程可以在一个线程中“同时”运行多个任务，当一个任务阻塞时，它可以主动让出 CPU，让给其他任务执行，等到阻塞解除后，再回来继续执行。这样一来，CPU 的利用率就大大提高了，服务器的并发能力也跟着水涨船高。

协程的核心概念：非阻塞 I/O 与 Event Loop

要实现协程，有两个核心概念必须掌握：

  1. 非阻塞 I/O (Non-blocking I/O)：

    传统的阻塞 I/O，就像你去饭馆点菜，点完就只能在那儿等着，啥也干不了。而非阻塞 I/O，就像你点完菜，服务员给你个震动器，让你先去逛逛，菜好了震动器会响，你再回来。

    在编程中，非阻塞 I/O 指的是，当发起一个 I/O 操作时，不会立即阻塞，而是立即返回。如果操作没有完成，会返回一个错误码或者表示操作未完成的状态。我们需要不断地轮询这个操作，直到它完成。

  2. Event Loop (事件循环)：

    Event Loop 就像一个调度员，它不断地监听各种事件（比如 I/O 完成、定时器到期等），然后根据事件类型，调度相应的协程来执行。

    你可以把 Event Loop 想象成一个大转盘，上面挂满了各种任务。调度器会不停地转动这个转盘，当转到某个任务时，就执行它。

协程调度器的基本架构

一个简单的 PHP 协程调度器大致包含以下几个部分：

  • 协程 (Coroutine)：独立的执行单元，可以暂停和恢复执行。
  • 调度器 (Scheduler)：负责管理协程的生命周期，调度协程的执行。
  • 通道 (Channel)：用于协程之间通信，传递数据。
  • 事件循环 (Event Loop)：监听事件，触发协程的执行。

代码实战：手撸一个简单的协程调度器

光说不练假把式，咱们直接上代码，手撸一个简单的协程调度器。

<?php

class Scheduler
{
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $taskMap = []; // taskId => Task
    protected $taskQueue;

    public function __construct() {
        $this->taskQueue = new SplQueue();
    }

    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $taskId = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($taskId, $coroutine);
        $this->taskMap[$taskId] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $taskId;
    }

    public function schedule(Task $task) {
        $this->taskQueue->enqueue($task);
    }

    public function run() {
        while (!$this->taskQueue->isEmpty()) {
            $task = $this->taskQueue->dequeue();
            $result = $task->run();

            if ($result instanceof SystemCall) {
                $result($task, $this);
                continue;
            }

            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
}

class Task
{
    protected $taskId;
    protected $coroutine;
    protected $sendValue = null;

    public function __construct($taskId, Generator $coroutine) {
        $this->taskId = $taskId;
        $this->coroutine = $coroutine;
    }

    public function getTaskId() {
        return $this->taskId;
    }

    public function run() {
        try {
            $value = $this->coroutine->current(); // 获取当前yield的值
            $retval = $this->coroutine->send($this->sendValue); // 注入值并继续执行
            $this->sendValue = null;

            if ($retval instanceof SystemCall) {
                return $retval;
            }
            return $retval;
        } catch (Exception $e) {
            return; // 忽略异常，简单处理
        }
    }

    public function setSendValue($sendValue) {
        $this->sendValue = $sendValue;
    }

    public function isFinished() {
        return !$this->coroutine->valid();
    }
}

class SystemCall
{
    protected $callback;

    public function __construct(callable $callback) {
        $this->callback = $callback;
    }

    public function __invoke(Task $task, Scheduler $scheduler) {
        $callback = $this->callback;
        return $callback($task, $scheduler);
    }
}

function getTaskId() {
    return new SystemCall(
        function (Task $task, Scheduler $scheduler) {
            $task->setSendValue($task->getTaskId());
            $scheduler->schedule($task);
        }
    );
}

function newTask(Generator $coroutine) {
    return new SystemCall(
        function (Task $task, Scheduler $scheduler) use ($coroutine) {
            $taskId = $scheduler->newTask($coroutine);
            $task->setSendValue($taskId);
            $scheduler->schedule($task);
        }
    );
}

function killTask($taskId) {
    return new SystemCall(
        function (Task $task, Scheduler $scheduler) use ($taskId) {
            if (isset($scheduler->taskMap[$taskId])) {
                unset($scheduler->taskMap[$taskId]);
                return true;
            }
            return false;
        }
    );
}

function task1() {
    $taskId = yield getTaskId();
    echo "Task 1: {$taskId}n";
    for ($i = 1; $i <= 10; ++$i) {
        echo "Task 1: {$i}n";
        yield; // 暂停，让出 CPU
    }
}

function task2() {
    $taskId = yield getTaskId();
    echo "Task 2: {$taskId}n";
    for ($i = 1; $i <= 5; ++$i) {
        echo "Task 2: {$i}n";
        yield; // 暂停，让出 CPU
    }
}

$scheduler = new Scheduler;

$scheduler->newTask(task1());
$scheduler->newTask(task2());

$scheduler->run();

?>

代码讲解：庖丁解牛

  • Scheduler 类：

    • $maxTaskId：用于生成唯一的任务 ID。
    • $taskMap：存储所有任务，key 是任务 ID，value 是 Task 对象。
    • $taskQueue：任务队列，用于存放待执行的任务。使用了 SplQueue，一个 PHP 内置的队列类。
    • newTask()：创建一个新的任务，并将其添加到任务队列中。
    • schedule()：将一个任务添加到任务队列中。
    • run()：事件循环的核心，不断地从任务队列中取出任务执行，直到队列为空。

  • Task 类：

    • $taskId：任务 ID。
    • $coroutine：协程对象，由 Generator 生成。
    • $sendValue：用于向协程发送数据。
    • run()：执行协程，直到遇到 yield 关键字，暂停执行。
    • setSendValue()：设置要发送给协程的数据。
    • isFinished()：判断协程是否执行完毕。

  • SystemCall 类：

    • 这个类是实现系统调用的关键。系统调用允许协程与调度器进行交互，例如获取任务ID，创建新的任务，杀死任务等。
    • __invoke() 方法允许我们将SystemCall对象像函数一样调用，方便调度器处理系统调用。

  • getTaskId()、newTask()、killTask() 函数：

    • 这些函数返回SystemCall对象，用于执行特定的系统调用。

  • task1() 和 task2() 函数：

    • 这两个函数是协程的例子，它们使用 yield 关键字来暂停执行，并将控制权交给调度器。

运行结果

运行上面的代码，你会看到类似下面的输出：

Task 1: 1
Task 2: 2
Task 1: 1
Task 2: 1
Task 1: 2
Task 2: 2
Task 1: 3
Task 2: 3
Task 1: 4
Task 2: 4
Task 1: 5
Task 2: 5
Task 1: 6
Task 1: 7
Task 1: 8
Task 1: 9
Task 1: 10

可以看到，task1() 和 task2() 交替执行，实现了并发的效果。

非阻塞 I/O 集成：让协程飞起来

上面的例子只是一个简单的演示，并没有涉及到真正的 I/O 操作。要让协程发挥真正的威力，还需要与非阻塞 I/O 集成。

PHP 提供了一些扩展，可以实现非阻塞 I/O，比如 stream_select()、sockets 等。我们可以利用这些扩展，将 I/O 操作封装成协程，让协程在等待 I/O 完成时，主动让出 CPU。

下面是一个使用 stream_select() 实现非阻塞 I/O 的例子：

<?php

class FileReader
{
    protected $filename;
    protected $fileDescriptor;

    public function __construct($filename) {
        $this->filename = $filename;
    }

    public function open() {
        $this->fileDescriptor = fopen($this->filename, 'r');
        stream_set_blocking($this->fileDescriptor, false);
    }

    public function readLine() {
        return new SystemCall(
            function (Task $task, Scheduler $scheduler) {
                $line = fgets($this->fileDescriptor);

                if ($line === false) {
                    if (feof($this->fileDescriptor)) {
                        return $task->setSendValue(null); // End of file
                    }

                    $scheduler->waitForRead($this->fileDescriptor, $task);  // Wait for read event
                    return;  // Yield control
                }

                $task->setSendValue($line);
                $scheduler->schedule($task);
            }
        );
    }

    public function close() {
        fclose($this->fileDescriptor);
    }
}

class Scheduler
{
    // ... (之前的代码)
    protected $readWaitQueue = [];

    public function waitForRead($socket, Task $task) {
        if (!isset($this->readWaitQueue[(int)$socket])) {
            $this->readWaitQueue[(int)$socket] = [];
        }
        $this->readWaitQueue[(int)$socket][] = $task;
    }

    protected function ioPoll($timeout) {
        $read = [];
        $write = [];
        $except = [];
        if ($this->readWaitQueue) {
            $read = array_keys($this->readWaitQueue);
        }

        if (!$read && !$write && !$except) {
            return;
        }

        $r = stream_select($read, $write, $except, $timeout);
        if ($r === false) {
            return;
        }

        if ($read) {
            foreach ($read as $socket) {
                $socket = (int)$socket;
                if (isset($this->readWaitQueue[$socket])) {
                    $tasks = $this->readWaitQueue[$socket];
                    unset($this->readWaitQueue[$socket]);
                    foreach ($tasks as $task) {
                        $this->schedule($task);
                    }
                }
            }
        }
    }

    public function run() {
        while (!$this->taskQueue->isEmpty() || !empty($this->readWaitQueue)) { //Keep running if there are tasks or I/O events to process
            $this->ioPoll(0);  // Check for I/O events

            if (!$this->taskQueue->isEmpty()) {
                $task = $this->taskQueue->dequeue();
                $result = $task->run();

                if ($result instanceof SystemCall) {
                    $result($task, $this);
                    continue;
                }

                if ($task->isFinished()) {
                    unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
                } else {
                    $this->schedule($task);
                }
            }
        }
    }
}

function readFileCoroutine(FileReader $fileReader) {
    $fileReader->open();
    while (true) {
        $line = yield $fileReader->readLine();
        if ($line === null) {
            break;
        }
        echo "Read: " . $line;
    }
    $fileReader->close();
}

$scheduler = new Scheduler;
$fileReader = new FileReader('test.txt');  // Create a file named test.txt with some content
$scheduler->newTask(readFileCoroutine($fileReader));
$scheduler->run();

?>

代码讲解：深入细节

  • FileReader 类：

    • open()：打开文件，并设置为非阻塞模式。
    • readLine()：读取一行数据。如果读取失败，则将任务添加到 readWaitQueue 中，等待 stream_select() 触发。

  • Scheduler 类：

    • $readWaitQueue：用于存放等待读取事件的任务。
    • waitForRead()：将任务添加到 readWaitQueue 中。
    • ioPoll()：使用 stream_select() 监听读取事件，当事件发生时，将相应的任务添加到任务队列中。
    • run()：在事件循环中，先调用 ioPoll() 检查是否有 I/O 事件发生，然后再执行任务队列中的任务。

总结：协程的未来

协程是 PHP 提升并发能力的一大利器。它可以让我们在一个线程中“同时”运行多个任务，提高 CPU 的利用率。虽然手撸协程调度器比较复杂，但是理解了其原理，就能更好地使用现有的协程框架，比如 Swoole、ReactPHP 等。

补充说明

  • 上面的代码只是一个简单的示例，实际的协程调度器要复杂得多。
  • 协程并非银弹，它也有一些缺点，比如调试困难、代码复杂度高等。
  • 选择使用协程时，需要根据实际情况进行权衡。

表格总结

特性 阻塞 I/O 非阻塞 I/O 协程
线程模型 单线程/多线程 单线程 单线程
CPU 利用率 低 较高 高
并发能力 低 较高 高
实现难度 简单 较难 难
适用场景 低并发 高并发 高并发

好了，今天的讲座就到这里，希望对大家有所帮助！如果有什么疑问，欢迎留言讨论。下次再见！

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