PHP FFI与Rust的异步集成：利用tokio/async-std的Fibers实现非阻塞回调

PHP FFI与Rust异步集成：利用tokio/async-std的Fibers实现非阻塞回调

大家好，今天我们要探讨一个非常有趣且实用的主题：如何利用 PHP FFI (Foreign Function Interface) 将 Rust 的异步能力集成到 PHP 应用中，并借助 Tokio 或 async-std 的 fibers 实现非阻塞回调。这个技术方案能在很大程度上解决 PHP 在处理 I/O 密集型任务时的性能瓶颈，让 PHP 应用能够更加高效地利用系统资源。

背景：PHP 的局限与 Rust 的优势

PHP 是一种流行的服务器端脚本语言，以其开发效率高、易于部署等优点被广泛应用于 Web 开发领域。然而，PHP 在处理高并发、I/O 密集型任务时，由于其单线程的特性，容易出现性能瓶颈。传统的解决方案包括使用多进程或多线程，但这会带来额外的资源消耗和复杂的进程/线程管理。

Rust 是一种系统级编程语言，以其内存安全、高性能和并发性而著称。Rust 的异步编程模型基于 futures 和 async/await 语法，可以高效地处理 I/O 密集型任务，避免了传统多线程编程中的锁竞争和上下文切换开销。

PHP FFI 允许 PHP 代码直接调用 C 语言编写的动态链接库，这为我们将 Rust 的能力引入 PHP 提供了可能。通过 FFI，我们可以将 Rust 编写的异步任务封装成 C 函数，然后在 PHP 中调用这些函数，从而利用 Rust 的异步能力来提高 PHP 应用的性能。

目标：在 PHP 中实现 Rust 异步任务的非阻塞回调

我们的目标是实现以下效果：

1. PHP 调用 Rust 函数： PHP 代码能够通过 FFI 调用 Rust 编写的函数。
2. Rust 执行异步任务： Rust 函数在后台执行一个异步任务，例如网络请求或文件 I/O。
3. 非阻塞回调： Rust 异步任务完成后，通过回调函数通知 PHP，并且这个过程不会阻塞 PHP 的主线程。
4. 数据传递： Rust 可以将异步任务的结果传递给 PHP 回调函数。

技术选型：Tokio/async-std 与 Fibers

在 Rust 异步运行时方面，我们有两种选择：

• Tokio: 一个流行的 Rust 异步运行时，提供了大量的工具和库，用于构建高性能的网络应用。
• async-std: 另一个 Rust 异步运行时，目标是提供一个与标准库类似的 API，更容易上手。

两者都是优秀的异步运行时，选择哪个取决于具体的项目需求和个人偏好。本文将以 Tokio 为例进行讲解，async-std 的实现思路类似。

为了实现非阻塞回调，我们需要一种机制，让 Rust 异步任务能够在完成时安全地调用 PHP 函数。这里我们采用 Fibers 的概念。 Fiber 可以理解为用户态的轻量级线程，允许我们在 Rust 中执行 PHP 代码，而不需要创建真正的操作系统线程。

实现步骤

接下来，我们将逐步实现 PHP FFI 与 Rust 异步集成的非阻塞回调。

1. Rust 代码：构建异步任务和回调机制

首先，我们需要编写 Rust 代码，实现异步任务和回调机制。

use tokio::runtime::Runtime;
use std::os::raw::c_char;
use std::ffi::{CStr, CString};
use std::sync::Mutex;
use std::collections::HashMap;

// 定义回调函数指针类型
type Callback = extern "C" fn(id: i32, result: *const c_char);

// 全局的 Tokio 运行时
lazy_static::lazy_static! {
    static ref RUNTIME: Runtime = Runtime::new().unwrap();
    static ref CALLBACKS: Mutex<HashMap<i32, Callback>> = Mutex::new(HashMap::new());
    static ref NEXT_ID: Mutex<i32> = Mutex::new(0);
}

// 生成唯一的 ID
fn generate_id() -> i32 {
    let mut id = NEXT_ID.lock().unwrap();
    *id += 1;
    *id
}

// 注册回调函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn register_callback(callback: Callback) -> i32 {
    let id = generate_id();
    CALLBACKS.lock().unwrap().insert(id, callback);
    id
}

// 移除回调函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn unregister_callback(id: i32) {
    CALLBACKS.lock().unwrap().remove(&id);
}

// 异步任务执行函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn execute_async_task(id: i32, input: *const c_char) {
    let input_str = unsafe { CStr::from_ptr(input).to_string_lossy().into_owned() };

    RUNTIME.spawn(async move {
        // 模拟一个耗时的异步任务
        tokio::time::sleep(std::time::Duration::from_secs(2)).await;

        // 构造异步任务的结果
        let result = format!("Task completed with input: {}", input_str);

        // 调用回调函数
        let callback = CALLBACKS.lock().unwrap().get(&id).cloned();
        if let Some(cb) = callback {
            let c_result = CString::new(result).unwrap();
            cb(id, c_result.as_ptr());
        }
        unregister_callback(id); // 任务完成后，移除回调
    });
}

代码解释:

• Callback: 定义了一个函数指针类型，表示 PHP 回调函数的签名。
• RUNTIME: 使用 lazy_static 创建一个全局的 Tokio 运行时。
• CALLBACKS: 使用 Mutex 保护一个 HashMap，用于存储 PHP 注册的回调函数。 key 为 callback id, value 为 callback 函数指针
• register_callback: 注册回调函数，将 PHP 传递过来的回调函数指针存储到 CALLBACKS 中，并返回一个唯一的 ID。
• unregister_callback: 移除回调函数，在异步任务完成后，从 CALLBACKS 中移除对应的回调函数。
• execute_async_task: 执行异步任务的函数，接收一个 ID 和一个输入字符串。该函数将创建一个 Tokio 任务，在后台执行。
  • 模拟了一个耗时的异步任务，使用 tokio::time::sleep 模拟 2 秒的延迟。
  • 构造异步任务的结果，将输入字符串添加到结果中。
  • 调用回调函数，从 CALLBACKS 中获取对应的回调函数，然后调用该函数，将结果传递给 PHP。

2. PHP 代码：使用 FFI 调用 Rust 函数并注册回调

接下来，我们需要编写 PHP 代码，使用 FFI 调用 Rust 函数，并注册回调函数。

<?php

// 加载 Rust 动态链接库
$ffi = FFI::cdef(
    "
    typedef void (*callback_t)(int id, const char* result);
    int register_callback(callback_t callback);
    void unregister_callback(int id);
    void execute_async_task(int id, const char* input);
    ",
    "./librust_async.so" // 替换为你的 Rust 动态链接库的路径
);

// 定义回调函数
$callback = function(int $id, string $result) {
    echo "PHP Callback called with id: $id, result: $resultn";
};

// 注册回调函数
$callback_ptr = FFI::cast("callback_t", $callback);
$id = $ffi->register_callback($callback_ptr);

// 执行异步任务
$input = "Hello from PHP!";
$ffi->execute_async_task($id, $input);

echo "PHP continues to execute...n";

// 模拟 PHP 主线程的其他操作
sleep(3);

echo "PHP finished.n";

// 注销回调函数 (可选，但建议在不再需要回调时执行)
// $ffi->unregister_callback($id);

?>

代码解释:

• FFI::cdef: 定义了 Rust 函数的签名，包括 register_callback、unregister_callback 和 execute_async_task。
• $callback: 定义了一个 PHP 回调函数，用于接收 Rust 异步任务的结果。
• FFI::cast: 将 PHP 回调函数转换为 C 函数指针。
• $ffi->register_callback: 调用 Rust 的 register_callback 函数，注册回调函数，并获取回调函数的 ID。
• $ffi->execute_async_task: 调用 Rust 的 execute_async_task 函数，执行异步任务，并将回调函数的 ID 和输入字符串传递给 Rust。
• sleep(3): 模拟 PHP 主线程的其他操作，确保 PHP 主线程不会立即退出。

3. 构建 Rust 动态链接库

我们需要将 Rust 代码编译成动态链接库，以便 PHP 可以通过 FFI 调用。

在 Cargo.toml 文件中，添加以下内容：

[lib]
name = "rust_async"
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
tokio = { version = "1", features = ["full"] }
lazy_static = "1.4.0"

然后，使用以下命令编译 Rust 代码：

cargo build --release

这将在 target/release 目录下生成 librust_async.so 文件 (在 Windows 上是 rust_async.dll)。

4. 运行 PHP 代码

确保 librust_async.so 文件与 PHP 脚本在同一目录下，然后运行 PHP 脚本：

php your_php_script.php

预期输出:

PHP continues to execute...
PHP finished.
PHP Callback called with id: 1, result: Task completed with input: Hello from PHP!

输出分析:

• PHP continues to execute... 表明 PHP 主线程在调用 execute_async_task 后没有被阻塞，继续执行后续的代码。
• PHP finished. 表明 PHP 主线程在异步任务完成之前就执行完毕。
• PHP Callback called with id: 1, result: Task completed with input: Hello from PHP! 表明 Rust 异步任务完成后，成功调用了 PHP 回调函数，并将结果传递给了 PHP。这个输出会在 PHP finished. 之后出现，因为异步任务需要 2 秒才能完成。

表格：代码结构和功能

文件名	语言	功能
src/lib.rs	Rust	定义 Rust 异步任务、回调函数注册/移除机制、任务执行函数，并使用 Tokio 运行时。
your_php_script.php	PHP	使用 FFI 加载 Rust 动态链接库，注册 PHP 回调函数，调用 Rust 异步任务执行函数，并模拟 PHP 主线程的其他操作。
Cargo.toml	TOML	定义 Rust 项目的依赖项和构建配置，指定构建为动态链接库。

错误处理和注意事项

• 路径问题: 确保 PHP 能够找到 Rust 动态链接库。可以使用绝对路径或将动态链接库添加到 PHP 的 extension_dir 目录。
• 内存管理: 注意 Rust 和 PHP 之间的内存管理。Rust 分配的内存需要手动释放，否则会导致内存泄漏。在本例中，Rust 将结果字符串传递给 PHP，PHP 需要负责释放该字符串的内存。但是由于PHP 的垃圾回收机制，通常不需要手动释放。
• 异常处理: 在 Rust 代码中，需要处理可能出现的异常，例如网络请求失败或文件 I/O 错误。可以将错误信息传递给 PHP 回调函数，以便 PHP 进行处理。
• 线程安全: 由于 PHP 是单线程的，因此在 PHP 回调函数中不需要考虑线程安全问题。但是，在 Rust 代码中，如果多个线程同时访问共享资源，需要使用锁或其他同步机制来保证线程安全。
• FFI 开销: FFI 调用会带来一定的开销，因此不建议频繁地在 PHP 和 Rust 之间进行数据传递。可以将多个操作合并成一个 FFI 调用，以减少开销。

高级应用：传递复杂数据结构

除了传递简单的字符串之外，我们还可以传递复杂的数据结构，例如数组或对象。这需要使用更高级的 FFI 技术，例如：

• 手动序列化/反序列化: 将数据结构序列化为 JSON 或其他格式的字符串，然后在 PHP 中反序列化。
• 使用 C 数据结构: 在 C 代码中定义数据结构，然后在 Rust 和 PHP 中共享这些数据结构。
• 使用 Protobuf 或 FlatBuffers: 使用 Protobuf 或 FlatBuffers 等序列化框架，可以高效地序列化和反序列化数据结构。

代码示例：传递 JSON 数据

Rust 代码:

use serde::{Serialize, Deserialize};
use serde_json::json;

#[derive(Serialize, Deserialize)]
struct MyData {
    name: String,
    age: i32,
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn execute_async_task_with_json(id: i32, input: *const c_char) {
    let input_str = unsafe { CStr::from_ptr(input).to_string_lossy().into_owned() };

    RUNTIME.spawn(async move {
        tokio::time::sleep(std::time::Duration::from_secs(2)).await;

        let data = MyData {
            name: "Alice".to_string(),
            age: 30,
        };

        let json_result = serde_json::to_string(&data).unwrap();

        let callback = CALLBACKS.lock().unwrap().get(&id).cloned();
        if let Some(cb) = callback {
            let c_result = CString::new(json_result).unwrap();
            cb(id, c_result.as_ptr());
        }
        unregister_callback(id);
    });
}

PHP 代码:

<?php

$ffi = FFI::cdef(
    "
    typedef void (*callback_t)(int id, const char* result);
    int register_callback(callback_t callback);
    void unregister_callback(int id);
    void execute_async_task_with_json(int id, const char* input);
    ",
    "./librust_async.so"
);

$callback = function(int $id, string $result) {
    $data = json_decode($result, true);
    echo "PHP Callback called with id: $id, name: " . $data['name'] . ", age: " . $data['age'] . "n";
};

$callback_ptr = FFI::cast("callback_t", $callback);
$id = $ffi->register_callback($callback_ptr);

$input = "Some input";
$ffi->execute_async_task_with_json($id, $input);

echo "PHP continues to execute...n";
sleep(3);
echo "PHP finished.n";

?>

在这个例子中，Rust 将 MyData 结构体序列化为 JSON 字符串，然后传递给 PHP。PHP 使用 json_decode 函数将 JSON 字符串反序列化为 PHP 数组。

结论：利用 Rust 异步能力提升 PHP 性能

通过 PHP FFI 与 Rust 异步集成，我们可以利用 Rust 的高性能和并发性来提升 PHP 应用的性能，尤其是在处理 I/O 密集型任务时。通过 fibers 实现非阻塞回调，可以避免阻塞 PHP 主线程，从而提高 PHP 应用的响应速度和吞吐量。虽然 FFI 调用会带来一定的开销，但通过合理的设计和优化，可以将开销降到最低，并获得显著的性能提升。

未来展望：更深度的集成

未来，我们可以探索更深度的 PHP FFI 与 Rust 集成，例如：

• 自动生成 FFI 绑定: 使用工具自动生成 FFI 绑定，简化开发流程。
• 零拷贝数据传递: 使用零拷贝技术，避免数据复制，提高数据传递效率。
• 更完善的错误处理: 提供更完善的错误处理机制，方便调试和维护。

希望今天的分享能帮助大家更好地理解 PHP FFI 与 Rust 异步集成，并将其应用到实际项目中。

核心要点和未来方向

我们学习了如何使用 PHP FFI 调用 Rust 函数，并在 Rust 中执行异步任务，通过回调函数将结果返回给 PHP，从而避免阻塞 PHP 主线程，提升性能。后续可以探索自动生成 FFI 绑定和零拷贝数据传递等方向，以进一步优化集成方案。