PHP中的多线程编程：pthreads（已废弃）与parallel扩展的现代并发实践

好的，开始吧。

PHP 并发编程：从 pthreads 到 parallel

大家好，今天我们来聊聊 PHP 中的并发编程。在传统的 PHP 开发中，我们通常采用同步阻塞的方式处理请求，这在处理高并发场景时会成为瓶颈。为了解决这个问题，PHP 提供了多线程和并行处理的扩展，例如早期的 pthreads 和现在更推荐的 parallel。

1. 并发编程的必要性

在讨论具体实现之前，我们先明确一下并发编程的必要性。PHP 作为一种脚本语言，其执行模型是单线程的，这意味着每个请求都需要按顺序执行，无法同时处理多个任务。

考虑以下场景：

• I/O 密集型任务： 例如，发起 HTTP 请求、访问数据库、读取文件等。这些操作通常需要等待外部资源返回，导致 CPU 空闲。
• 计算密集型任务： 例如，图像处理、复杂的数学计算等。这些操作会占用大量的 CPU 时间，导致其他请求无法及时处理。

在这些情况下，如果采用并发编程，就可以充分利用 CPU 资源，提高系统的吞吐量和响应速度。

2. pthreads：曾经的多线程解决方案

pthreads 是一个 PHP 扩展，允许开发者在 PHP 中创建和管理线程。它提供了一套完整的 API，可以实现线程的创建、同步、互斥等操作。

2.1 pthreads 的基本概念

• Thread： 线程是程序执行的最小单元。在 pthreads 中，可以通过继承 Thread 类来创建自定义线程。
• Pool： 线程池，用于管理和复用线程，避免频繁创建和销毁线程的开销。
• Worker： 工作单元，用于在线程池中执行任务。
• Mutex： 互斥锁，用于保护共享资源，防止多个线程同时访问导致数据竞争。
• Condition： 条件变量，用于线程间的同步和通信。

2.2 pthreads 的使用示例

<?php

class MyThread extends Thread {
    private $data;

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

    public function run() {
        echo "Thread " . $this->getThreadId() . " started with data: " . $this->data . "n";
        sleep(2); // 模拟耗时操作
        echo "Thread " . $this->getThreadId() . " finishedn";
    }
}

$thread1 = new MyThread("Data 1");
$thread2 = new MyThread("Data 2");

$thread1->start();
$thread2->start();

$thread1->join();
$thread2->join();

echo "Main thread finishedn";

?>

代码解释：

1. 定义了一个 MyThread 类，继承自 Thread 类。
2. 重写了 run() 方法，该方法会在新线程中执行。
3. 创建了两个 MyThread 实例，并分别传入不同的数据。
4. 调用 start() 方法启动线程。
5. 调用 join() 方法等待线程执行完成。

2.3 pthreads 的局限性

虽然 pthreads 提供了多线程的能力，但它存在一些局限性：

• 资源竞争： 多线程共享内存空间，容易出现资源竞争问题，需要使用互斥锁等机制进行保护。
• 线程安全： PHP 本身不是线程安全的，有些内置函数在多线程环境下可能会出现问题。
• 复杂性： 多线程编程本身就比较复杂，需要考虑线程的同步、通信、死锁等问题。
• ZTS (Zend Thread Safety) 编译： 必须使用 ZTS 编译的 PHP 版本，而这可能会影响性能。
• 已废弃： pthreads 已经不再积极维护，并且在较新的 PHP 版本中可能存在兼容性问题。

2.4 为什么 pthreads 被废弃？

pthreads 的废弃主要是由于其固有的复杂性和维护成本。PHP 的设计初衷是作为一种单线程的脚本语言，引入多线程会带来很多潜在的问题，例如内存泄漏、死锁、以及与现有扩展的兼容性问题。此外，pthreads 需要 ZTS 编译，这会增加 PHP 的复杂性和降低性能。

3. parallel：现代的并发解决方案

parallel 扩展提供了一种更安全、更简单的方式来实现并发。它基于 pcntl 扩展，使用多进程来实现并行处理。

3.1 parallel 的基本概念

• ParallelRuntime： 创建一个隔离的 PHP 运行时环境。
• ParallelFuture： 代表一个异步任务的结果。
• ParallelChannel： 用于进程间通信。

3.2 parallel 的优势

• 进程隔离： 每个任务都在独立的进程中执行，避免了资源竞争和线程安全问题。
• 简单易用： 提供了简单的 API，易于学习和使用。
• 高可靠性： 由于进程隔离，一个任务的崩溃不会影响其他任务。
• 更好的性能： 在 CPU 密集型任务中，可以充分利用多核 CPU 的优势，提高性能。

3.3 parallel 的使用示例

<?php

use parallelRuntime;
use parallelFuture;

$runtime = new Runtime();

$future = $runtime->run(function($data) {
    echo "Process " . getmypid() . " started with data: " . $data . "n";
    sleep(2); // 模拟耗时操作
    echo "Process " . getmypid() . " finishedn";
    return "Result from process " . getmypid();
}, ["Data to process"]);

echo "Main process continuesn";

$result = $future->value();

echo "Result from parallel task: " . $result . "n";

?>

代码解释：

1. 创建了一个 Runtime 实例，用于创建隔离的 PHP 运行时环境。
2. 使用 run() 方法启动一个异步任务，该任务会在新的进程中执行。
3. run() 方法返回一个 Future 对象，代表异步任务的结果。
4. 调用 value() 方法获取异步任务的结果，该方法会阻塞，直到任务完成。

3.4 parallel 的高级用法：通道 (Channel)

parallel 提供了 Channel 类，用于进程间的通信。这使得在并行任务之间共享数据和同步成为可能。

<?php

use parallelRuntime;
use parallelChannel;

$runtime = new Runtime();
$channel = new Channel();

$runtime->run(function(Channel $channel) {
    $channel->send("Message from process " . getmypid());
}, [$channel]);

$message = $channel->recv();

echo "Received message: " . $message . "n";

?>

代码解释：

1. 创建了一个 Channel 实例，用于进程间的通信。
2. 在并行任务中使用 send() 方法发送消息到通道。
3. 在主进程中使用 recv() 方法从通道接收消息。

3.5 parallel 的限制

虽然 parallel 提供了很多优势，但也存在一些限制：

• 进程间通信的开销： 进程间通信需要进行数据序列化和反序列化，会带来一定的开销。
• 资源占用： 每个进程都需要占用一定的内存和 CPU 资源，过多的进程可能会导致系统资源耗尽。
• 需要 pcntl 扩展： parallel 依赖于 pcntl 扩展，该扩展在某些操作系统上可能不可用。
• 不能共享资源： 由于进程隔离，不能直接在并行任务之间共享资源。需要使用通道等机制进行通信。

4. pthreads vs. parallel：选择哪一个？

特性	pthreads	parallel
并发模型	多线程	多进程
资源共享	共享内存空间	进程隔离
线程安全	需要手动处理线程安全问题	进程隔离，避免线程安全问题
复杂性	较高，需要考虑线程同步、互斥等问题	较低，API 简单易用
性能	理论上更高，但容易出现资源竞争和线程安全问题	在 CPU 密集型任务中表现良好，进程间通信有开销
维护状态	已废弃，不再积极维护	积极维护
依赖	需要 ZTS 编译的 PHP 版本	依赖 pcntl 扩展
适用场景	(不推荐) 过去适用于对性能要求极高，且能很好控制线程安全的情况	CPU 密集型任务，需要高可靠性和简单易用的并发场景

结论：

在现代 PHP 开发中，强烈建议使用 parallel 扩展来实现并发。它提供了更安全、更简单、更可靠的解决方案。pthreads 已经不再积极维护，并且存在很多潜在的问题，不建议使用。

5. 并发编程的最佳实践

无论使用 pthreads 还是 parallel，都需要遵循一些并发编程的最佳实践：

• 避免共享状态： 尽量避免在并发任务之间共享状态，减少资源竞争和线程安全问题。
• 使用不可变数据： 使用不可变数据可以避免并发修改导致的问题。
• 使用锁保护共享资源： 如果必须共享资源，使用互斥锁等机制进行保护。
• 避免死锁： 仔细设计锁的获取顺序，避免死锁的发生。
• 限制并发数： 过多的并发任务可能会导致系统资源耗尽，需要限制并发数。可以使用线程池或进程池来管理并发任务。
• 监控和调优： 监控并发任务的性能，并进行调优，例如调整线程池或进程池的大小。
• 错误处理： 妥善处理并发任务中出现的错误，避免影响其他任务。
• 选择合适的并发模型： 根据任务的类型选择合适的并发模型。例如，I/O 密集型任务可以使用异步 I/O，CPU 密集型任务可以使用多进程或多线程。

6. 示例：使用 parallel 处理图像

让我们看一个使用 parallel 处理图像的示例。假设我们需要对一个目录下的所有图像进行缩放。

<?php

use parallelRuntime;
use parallelFuture;

function resizeImage($imagePath, $width, $height) {
    // 模拟图像缩放操作
    echo "Resizing image: " . $imagePath . " to " . $width . "x" . $height . " in process " . getmypid() . "n";
    sleep(1); // 模拟耗时操作
    return "Resized: " . $imagePath;
}

$imagePaths = glob("images/*.jpg"); // 获取所有 JPG 图像的路径

$runtime = new Runtime();
$futures = [];

foreach ($imagePaths as $imagePath) {
    $futures[] = $runtime->run(function($imagePath) {
        return resizeImage($imagePath, 800, 600);
    }, [$imagePath]);
}

foreach ($futures as $future) {
    echo $future->value() . "n";
}

echo "All images resizedn";

?>

代码解释：

1. resizeImage 函数模拟图像缩放操作。
2. glob 函数获取所有 JPG 图像的路径。
3. 创建 Runtime 实例。
4. 循环遍历图像路径，使用 run 方法启动异步任务，将图像缩放任务提交到并行进程中。
5. 将每个 Future 对象添加到 $futures 数组中。
6. 循环遍历 $futures 数组，调用 value 方法获取异步任务的结果并输出。

7. 结论：拥抱现代并发

PHP 的并发编程是一个复杂但重要的主题。虽然 pthreads 曾经是一种解决方案，但由于其固有的问题，现在已经不推荐使用。parallel 扩展提供了一种更安全、更简单、更可靠的并发解决方案，是现代 PHP 开发中更佳的选择。通过合理地使用 parallel，可以充分利用多核 CPU 的优势，提高系统的吞吐量和响应速度。

8. 未来展望：异步编程的演进

PHP 的异步编程领域正在不断发展。除了 parallel 之外，还有其他一些值得关注的技术，例如：

• Swoole： 一个高性能的 PHP 异步并发框架，可以用于构建高性能的网络应用。
• ReactPHP： 一个基于事件循环的 PHP 异步编程框架，可以用于构建响应式应用。
• Fiber： PHP 8.1 引入的 Fiber 技术，可以实现用户态的协程，进一步提高并发性能。

随着这些技术的不断发展，PHP 的并发编程能力将会越来越强大，为开发者提供更多的选择。

希望今天的分享能够帮助大家更好地理解 PHP 的并发编程。谢谢大家！

并发编程选型建议

场景	推荐技术	理由
CPU 密集型任务，需要并行计算	parallel	进程隔离，避免线程安全问题，充分利用多核 CPU。
I/O 密集型任务，需要高并发处理	Swoole, ReactPHP，异步 I/O + Fiber (PHP 8.1+)	非阻塞 I/O，减少 CPU 等待时间，提高并发能力。
简单的后台任务，不需要复杂的并发控制	parallel	简单易用，适合快速实现简单的并行任务。
需要长期运行的服务，例如 WebSocket 服务	Swoole	提供了完善的异步 I/O API，支持 WebSocket 协议，适合构建高性能的网络应用。
需要高度定制化的并发模型	Fiber (PHP 8.1+) + 自定义调度器	提供了更底层的控制能力，可以根据具体需求定制并发模型。

掌握这些原则，编写出更健壮的并发代码

理解 PHP 并发编程的演进历程，选择合适的并发工具，遵循并发编程的最佳实践，可以帮助我们编写出更健壮、更高效的 PHP 应用。希望大家在实际项目中能够灵活运用这些知识，解决实际问题。