PHP用户态调度器的Preempt（抢占）机制：通过tickless计时器实现强制上下文切换 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

PHP 用户态调度器的 Preempt (抢占) 机制：通过 Tickless 计时器实现强制上下文切换

大家好，今天我们来深入探讨一个高级的 PHP 编程主题：PHP 用户态调度器的抢占 (Preempt) 机制，以及如何利用 Tickless 计时器来实现强制上下文切换。这涉及底层原理，但我们会尽量以清晰、实用的方式进行讲解，并配合代码示例。

什么是用户态调度器？

首先，我们需要理解什么是用户态调度器。在传统的操作系统中，进程的调度是由内核负责的。然而，对于某些需要高度并发和低延迟的应用场景，内核态调度往往存在一定的性能瓶颈。用户态调度器则是一种将调度逻辑放在用户空间实现的机制，它可以更灵活地控制协程或 Fiber 等轻量级线程的执行。

用户态调度器通常基于事件循环 (Event Loop) 的概念。它会不断地监听各种事件（例如 I/O 事件、定时器事件），然后根据事件的类型和优先级来选择合适的协程或 Fiber 来执行。

抢占式调度 vs. 协作式调度

用户态调度器可以采用两种主要的调度方式：协作式调度和抢占式调度。

协作式调度 (Cooperative Scheduling): 在协作式调度中，协程或 Fiber 需要主动放弃 CPU 的控制权，例如通过 yield 关键字或调用特定的 API。如果一个协程长时间不放弃 CPU，那么整个程序就会被阻塞。
抢占式调度 (Preemptive Scheduling): 在抢占式调度中，调度器可以强制中断正在运行的协程或 Fiber，并切换到另一个协程或 Fiber。这种方式可以有效地防止某个协程长时间占用 CPU，从而提高程序的响应性和公平性。

协作式调度实现简单，但缺点也很明显，难以保证公平性和避免阻塞。抢占式调度则更加复杂，但可以提供更好的性能和可靠性。

抢占的必要性与挑战

抢占式调度对于构建高并发、低延迟的 PHP 应用至关重要。尤其是在处理大量并发请求时，如果没有抢占机制，一个执行时间较长的请求可能会阻塞整个请求处理流程，导致其他请求无法及时响应。

然而，在 PHP 中实现抢占式调度面临一些挑战：

PHP 语言的限制: PHP 是一种解释型语言，它本身并不提供底层的抢占式调度机制。
缺乏系统级别的支持: 与 Go 或 Erlang 等语言不同，PHP 并没有内置的协程或 Fiber 实现，也没有提供相应的调度 API。

因此，我们需要借助一些技巧和扩展来实现 PHP 的抢占式调度。

Tickless 计时器与强制上下文切换

一种常见的实现抢占式调度的方法是利用 Tickless 计时器和强制上下文切换。

1. Tickless 计时器 (High-Resolution Timer):

Tickless 计时器是一种高精度的计时器，它可以提供纳秒级别的精度。与传统的基于固定时间间隔的计时器不同，Tickless 计时器可以根据需要设置任意的超时时间。这使得我们可以在协程或 Fiber 运行一段时间后，触发一个中断信号。

2. 强制上下文切换:

当 Tickless 计时器触发中断信号时，我们需要强制中断当前正在运行的协程或 Fiber，并切换到另一个协程或 Fiber。这通常需要借助一些底层的 API 或扩展来实现。例如，可以使用 pcntl_signal 函数来捕获中断信号，然后使用 setjmp 和 longjmp 函数来保存和恢复协程或 Fiber 的上下文。

实现步骤

下面我们将详细介绍如何使用 Tickless 计时器和强制上下文切换来实现 PHP 的抢占式调度。

1. 安装必要的扩展:

首先，我们需要安装以下 PHP 扩展：

pcntl: 用于信号处理。
posix: 用于进程控制。
ext-fiber: PHP 8.1+ 内置的 Fiber 支持 (可选，如果使用 Fiber)。

在 Debian/Ubuntu 系统中，可以使用以下命令安装这些扩展：

sudo apt-get update
sudo apt-get install php-pcntl php-posix

对于PHP 8.1+， ext-fiber 默认启用.

2. 创建一个简单的协程/Fiber 调度器:

<?php

class Scheduler {
    private array $tasks = []; // 任务队列 (协程或 Fiber)
    private ?Fiber $currentTask = null; // 当前正在执行的任务
    private int $taskIdCounter = 0; // 任务 ID 计数器
    private int $sliceDurationMs = 10; // 时间片长度 (毫秒)
    private int $signal = SIGALRM; // 用于抢占的信号
    private $sigHandler; //保存原来的信号处理函数

    public function __construct(int $sliceDurationMs = 10, int $signal = SIGALRM) {
        $this->sliceDurationMs = $sliceDurationMs;
        $this->signal = $signal;
    }

    public function newTask(Fiber $task): int {
        $taskId = ++$this->taskIdCounter;
        $this->tasks[$taskId] = $task;
        return $taskId;
    }

    public function next(): ?Fiber
    {
        if (empty($this->tasks)) {
            return null;
        }

        $taskIds = array_keys($this->tasks);
        $taskId = array_shift($taskIds);
        $this->currentTask = $this->tasks[$taskId];
        unset($this->tasks[$taskId]);

        return $this->currentTask;
    }

    public function schedule(Fiber $task) : void
    {
        $this->newTask($task);
    }

    public function run(): void {
        // 保存原来的信号处理函数
        $this->sigHandler = pcntl_signal($this->signal, function ($signal) {
            // 信号处理函数
            if ($this->currentTask && $this->currentTask->isSuspended()) {
                $this->schedule($this->currentTask); // 重新加入任务队列
            }
        }, false); // 替换信号处理函数

        while ($task = $this->next()) {
            $this->currentTask = $task;
            $this->setTimeout($this->sliceDurationMs);
            $task->resume();

            if ($task->isTerminated()) {
                echo "Task completed.n";
            }

            pcntl_signal_dispatch(); // 处理未决信号
        }

        // 恢复原来的信号处理函数
        pcntl_signal($this->signal, $this->sigHandler, false);

        echo "All tasks completed.n";
    }

    private function setTimeout(int $ms): void {
        $seconds = floor($ms / 1000);
        $microseconds = ($ms % 1000) * 1000;
        pcntl_alarm(0); // 先取消之前的闹钟
        pcntl_async_signals(true);
        pcntl_signal_dispatch();
        posix_setitimer(POSIX_ITIMER_REAL, ['sec' => $seconds, 'usec' => $microseconds], ['sec' => 0, 'usec' => 0]);
    }
}

?>

这个 Scheduler 类提供了一个简单的任务队列和调度逻辑。 newTask 方法用于添加新的协程或 Fiber 到任务队列中， run 方法用于启动调度器并执行任务。setTimeout 函数用于设置时间片，这里使用了 posix_setitimer 函数来设置 Tickless 计时器。

3. 创建一些测试 Fiber:

<?php

// 引入调度器类
require_once 'Scheduler.php';

$scheduler = new Scheduler(5); // 时间片设置为 5 毫秒

$task1 = new Fiber(function (): void {
    $i = 0;
    while (true) {
        echo "Task 1: " . $i++ . "n";
        Fiber::suspend();
        usleep(1000); // 模拟耗时操作
    }
});

$task2 = new Fiber(function (): void {
    $i = 0;
    while (true) {
        echo "Task 2: " . $i++ . "n";
        Fiber::suspend();
        usleep(2000); // 模拟耗时操作
    }
});

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

$scheduler->run();

?>

这段代码创建了两个简单的 Fiber，它们会不断地输出信息并调用 Fiber::suspend() 来主动让出 CPU。

4. 运行代码:

保存以上代码到 scheduler_example.php 文件，然后在命令行中运行：

php scheduler_example.php

你会看到 Task 1 和 Task 2 交替输出，这表明抢占式调度正在工作。

代码解释:

pcntl_signal(SIGALRM, ...): 注册一个信号处理函数，当 SIGALRM 信号被触发时，该函数会被调用。在我们的例子中，当 Tickless 计时器超时时，会触发 SIGALRM 信号。
posix_setitimer(POSIX_ITIMER_REAL, ...): 设置一个 Tickless 计时器。 POSIX_ITIMER_REAL 表示使用系统时钟。第一个参数是一个数组，指定了计时器的初始值 (秒和微秒)。第二个参数也是一个数组，指定了计时器的重复间隔 (秒和微秒)。如果将第二个参数设置为 ['sec' => 0, 'usec' => 0]，则计时器只会触发一次。
Fiber::suspend(): 暂停当前 Fiber 的执行，并将控制权交还给调度器。
Fiber::resume(): 恢复被暂停的 Fiber 的执行。
pcntl_signal_dispatch(): 处理未决的信号。由于信号处理函数是异步执行的，因此可能会在主线程执行其他代码时收到信号。 pcntl_signal_dispatch() 函数会检查是否有未决的信号，并调用相应的信号处理函数。

注意事项:

信号处理的限制: 在信号处理函数中，只能执行一些简单的操作，例如设置全局变量或调用 Fiber::suspend()。避免在信号处理函数中执行复杂的逻辑或 I/O 操作，否则可能会导致程序崩溃。
时间精度: posix_setitimer 函数的时间精度取决于系统的时钟分辨率。在某些系统中，时间精度可能只有几毫秒。
并发安全: 如果多个线程或进程同时访问调度器，需要考虑并发安全问题。可以使用锁或其他同步机制来保护共享资源。
错误处理: 在实际应用中，需要添加错误处理机制，例如捕获异常和处理信号错误。

改进方向

上面的代码只是一个简单的示例，实际应用中还需要进行一些改进：

更精确的计时器: 可以使用更底层的 API (例如 clock_gettime) 来获取更精确的时间，并手动计算超时时间。
更灵活的调度策略: 可以根据任务的优先级、I/O 状态等信息来选择合适的调度策略。
更完善的错误处理: 需要添加更完善的错误处理机制，例如捕获异常和处理信号错误。
与事件循环集成: 可以将抢占式调度器与现有的事件循环集成，例如 ReactPHP 或 Swoole。

总结

用户态抢占式调度是提高 PHP 并发性能的重要手段。通过结合 Tickless 计时器和信号处理，我们可以实现强制的上下文切换，从而避免长时间运行的任务阻塞整个应用。虽然实现起来比较复杂，但对于需要高并发和低延迟的应用来说，这是一个非常有价值的优化方向。

深入理解与进一步实践

希望通过这篇文章，你对 PHP 用户态调度器的抢占机制有了更深入的了解。建议你尝试修改和扩展上面的代码，例如添加优先级调度、I/O 事件处理等功能。也可以研究一些现有的 PHP 协程库，例如 Amp 或 Revolt，了解它们是如何实现抢占式调度的。