PHP 8.1 Fiber与异步框架集成：在Swoole/ReactPHP之外实现轻量级并发

好的，我们开始。

大家好，今天我们来聊聊PHP 8.1引入的Fiber，以及如何利用它在Swoole和ReactPHP之外，实现轻量级的并发。 Fiber的出现，为PHP并发编程打开了新的思路，它比传统的多线程或进程模型更加轻量级，也更容易管理。

Fiber：PHP并发编程的新基石

在深入集成之前，我们需要先了解什么是Fiber。简单来说，Fiber是一种用户态的轻量级线程，它允许你在不涉及操作系统内核调度的情况下，在多个执行上下文中进行切换。与传统的线程相比，Fiber的切换开销非常小，因为它完全由PHP引擎控制。

核心概念：

Fiber: 代表一个独立的执行上下文，可以被挂起和恢复。
Fiber::suspend(): 挂起当前Fiber的执行，并将控制权交还给调用者。
Fiber::resume(): 恢复被挂起的Fiber的执行。
Fiber::throw(): 在Fiber中抛出一个异常。
Fiber::getCurrent(): 获取当前正在执行的Fiber实例。

一个简单的Fiber示例：

<?php

$fiber = new Fiber(function (): void {
    echo "Fiber startedn";
    Fiber::suspend('fiber_suspended');
    echo "Fiber resumedn";
});

$result = $fiber->start();
echo "After fiber start: " . $result . "n";

$fiber->resume();
echo "After fiber resumen";

输出：

Fiber started
After fiber start: fiber_suspended
Fiber resumed
After fiber resume

在这个例子中，我们创建了一个Fiber，并在其中调用了Fiber::suspend()。这导致Fiber的执行被挂起，并将字符串’fiber_suspended’作为返回值传递给$fiber->start()。随后，我们调用$fiber->resume()恢复了Fiber的执行。

与传统线程的区别：

特性	传统线程	Fiber
调度	操作系统内核调度	PHP引擎调度
上下文切换开销	较高	极低
并发模型	抢占式并发	协作式并发
资源消耗	每个线程需要独立的栈空间，资源消耗相对较高	资源消耗更少，可以创建更多的Fiber
适用场景	CPU密集型任务，需要真正的并行执行	IO密集型任务，高并发，异步编程

集成思路：构建一个简单的异步任务调度器

虽然Fiber本身不提供完整的异步编程框架，但我们可以利用它构建一个简单的异步任务调度器。这个调度器负责管理Fiber的创建、挂起和恢复，从而实现并发执行多个任务。

基本原理：

任务队列： 维护一个待执行任务的队列。
Fiber池： 维护一个已经创建但可能处于挂起状态的Fiber池。
调度器循环： 在一个循环中，从任务队列中取出任务，创建Fiber并执行，或者恢复已经挂起的Fiber。
IO事件监听： 使用stream_select()或其他IO复用技术监听IO事件，当IO事件发生时，恢复相应的Fiber。

代码示例：

<?php

class Scheduler
{
    protected array $taskQueue = [];
    protected array $fibers = [];
    protected array $readStreams = [];
    protected array $writeStreams = [];

    public function run(): void
    {
        while (!empty($this->taskQueue) || !empty($this->fibers)) {
            $this->tick();
        }
    }

    public function tick(): void
    {
        // 处理就绪的Fiber
        foreach ($this->fibers as $id => $fiber) {
            if ($fiber->isTerminated()) {
                unset($this->fibers[$id]);
                continue;
            }
            if (!$fiber->isSuspended()) {
                continue;
            }
            // 如果Fiber挂起，可能是等待IO事件
            $suspendedValue = $fiber->getSuspendedValue();
            if ($suspendedValue instanceof StreamAwait) {
                $stream = $suspendedValue->stream;
                $type = $suspendedValue->type;

                if ($type === StreamAwait::READ) {
                    $this->readStreams[(int)$stream] = $stream;
                } elseif ($type === StreamAwait::WRITE) {
                    $this->writeStreams[(int)$stream] = $stream;
                }
            } else {
                // Fiber挂起，但没有等待IO，直接恢复
                $fiber->resume();
            }
        }

        // IO事件监听
        $read = $this->readStreams;
        $write = $this->writeStreams;
        $except = [];

        if (empty($read) && empty($write)) {
            // 如果没有需要监听的IO事件，直接从任务队列中取出任务
            if (!empty($this->taskQueue)) {
                $task = array_shift($this->taskQueue);
                $this->addTask($task);
            }
            return;
        }

        if (stream_select($read, $write, $except, 0, 10000) > 0) {
            foreach ($this->fibers as $id => $fiber) {
                if ($fiber->isTerminated() || !$fiber->isSuspended()) {
                    continue;
                }
                $suspendedValue = $fiber->getSuspendedValue();
                if (!($suspendedValue instanceof StreamAwait)) {
                    continue;
                }
                $stream = $suspendedValue->stream;
                $type = $suspendedValue->type;

                if ($type === StreamAwait::READ && in_array($stream, $read, true)) {
                    unset($this->readStreams[(int)$stream]);
                    $fiber->resume();
                } elseif ($type === StreamAwait::WRITE && in_array($stream, $write, true)) {
                    unset($this->writeStreams[(int)$stream]);
                    $fiber->resume();
                }
            }
        }

        // 从任务队列中取出任务
        if (!empty($this->taskQueue)) {
            $task = array_shift($this->taskQueue);
            $this->addTask($task);
        }
    }

    public function addTask(callable $task): void
    {
        $fiber = new Fiber($task);
        $this->fibers[$fiber->getId()] = $fiber;
        $fiber->start();
    }

    public function queueTask(callable $task): void
    {
        $this->taskQueue[] = $task;
    }
}

class StreamAwait
{
    public const READ = 1;
    public const WRITE = 2;

    public function __construct(public $stream, public int $type)
    {
    }
}

function awaitReadStream($stream): void
{
    Fiber::suspend(new StreamAwait($stream, StreamAwait::READ));
}

function awaitWriteStream($stream): void
{
    Fiber::suspend(new StreamAwait($stream, StreamAwait::WRITE));
}

// 示例
$scheduler = new Scheduler();

$scheduler->queueTask(function () use ($scheduler) {
    echo "Task 1 startedn";
    $socket = stream_socket_client("tcp://www.example.com:80", $errno, $errstr, 30);

    if (!$socket) {
        echo "Failed to connect: $errstr ($errno)n";
        return;
    }

    fwrite($socket, "GET / HTTP/1.1rnHost: www.example.comrnConnection: closernrn");
    awaitReadStream($socket); // 等待可读
    $response = fread($socket, 8192);
    fclose($socket);
    echo "Task 1 received: " . substr($response, 0, 100) . "n";
    echo "Task 1 finishedn";
});

$scheduler->queueTask(function () {
    echo "Task 2 startedn";
    sleep(1);
    echo "Task 2 finishedn";
});

$scheduler->run();

代码解释：

Scheduler类是任务调度器，负责管理任务队列和Fiber池。
addTask()方法用于创建一个新的Fiber并启动它。
queueTask()方法用于将任务添加到任务队列中。
run()方法是调度器的主循环，它不断地从任务队列中取出任务并执行，或者恢复已经挂起的Fiber。
StreamAwait类，用于包装需要等待的IO流和等待类型。
awaitReadStream 和 awaitWriteStream函数分别用于挂起Fiber，等待流可读写。
stream_select() 函数用于监听IO事件，当IO事件发生时，恢复相应的Fiber。
示例中，Task 1 连接到 www.example.com ，发起一个 HTTP 请求，然后等待读取响应。
Task 2 只是简单地 sleep 1 秒钟。

要点：

这个示例是一个非常简化的异步任务调度器，它只支持基于stream_select()的IO事件监听。
在实际应用中，你需要根据具体的需求扩展调度器的功能，例如支持定时器、信号处理等。
错误处理需要更加完善。

与Swoole/ReactPHP的比较

Swoole和ReactPHP是PHP异步编程的成熟框架，它们提供了丰富的功能和强大的性能。那么，使用Fiber构建异步任务调度器与使用这些框架相比，有什么优缺点呢？

特性	Fiber + 自定义调度器	Swoole/ReactPHP
学习曲线	较低，理解Fiber的基本概念即可开始构建	较高，需要学习框架的API和事件循环机制
灵活性	较高，可以根据需求定制调度器的行为	较低，受框架的约束
性能	理论上可以接近Swoole/ReactPHP，但需要精细的优化	经过高度优化，性能通常更好
功能	需要自己实现各种异步操作，例如异步IO、定时器等	提供了丰富的功能，例如异步IO、定时器、协程等
社区支持	相对较少	拥有庞大的社区，可以获得丰富的文档和支持
适用场景	需要高度定制化的异步编程，或者对框架有特殊要求	大部分异步编程场景，特别是需要高性能和丰富功能的场景

总结：

Fiber + 自定义调度器：更适合需要高度定制化的场景，或者希望深入了解异步编程原理的开发者。
Swoole/ReactPHP：更适合大部分异步编程场景，特别是需要高性能和丰富功能的场景。

Fiber与现有框架的集成：中间件的异步化

除了构建独立的异步任务调度器之外，Fiber还可以与现有的框架集成，例如 Laravel、Symfony等。一个常见的应用场景是中间件的异步化。

传统的同步中间件：

<?php

class AuthMiddleware
{
    public function handle(Request $request, callable $next): Response
    {
        // 验证用户身份
        $user = $this->authenticate($request);

        if (!$user) {
            return new Response('Unauthorized', 401);
        }

        // 将用户信息添加到请求中
        $request->setUser($user);

        // 调用下一个中间件
        return $next($request);
    }

    protected function authenticate(Request $request): ?User
    {
        // 从数据库或缓存中验证用户身份，可能涉及IO操作
        sleep(1); // 模拟IO延迟
        return new User('John Doe');
    }
}

在这个例子中，AuthMiddleware的authenticate()方法可能会涉及IO操作，例如从数据库或缓存中验证用户身份。这会导致请求处理的延迟。

使用Fiber进行异步化：

<?php

use Fiber;

class AsyncAuthMiddleware
{
    public function handle(Request $request, callable $next): Response
    {
        $fiber = new Fiber(function () use ($request): ?User {
            // 验证用户身份
            return $this->authenticate($request);
        });

        $user = $fiber->start();

        if (!$user) {
            return new Response('Unauthorized', 401);
        }

        // 将用户信息添加到请求中
        $request->setUser($user);

        // 调用下一个中间件
        return $next($request);
    }

    protected function authenticate(Request $request): ?User
    {
        // 从数据库或缓存中验证用户身份，可能涉及IO操作
        // 在这里可以使用异步IO库，例如 amphp/mysql
        // 为了简化示例，我们仍然使用sleep()模拟IO延迟
        sleep(1); // 模拟IO延迟
        return new User('John Doe');
    }
}

在这个例子中，我们将authenticate()方法放在一个Fiber中执行。虽然我们仍然使用sleep()模拟IO延迟，但在实际应用中，你可以使用异步IO库，例如amphp/mysql，来实现真正的异步IO。

集成到框架：

要将这个异步中间件集成到框架中，你需要修改框架的中间件处理逻辑，使其支持Fiber。这通常需要修改框架的事件循环或请求处理流程。具体实现取决于你使用的框架。

注意事项：

并非所有的框架都支持Fiber的集成。你需要仔细研究框架的文档和源代码，了解其内部机制。
在集成Fiber时，需要注意线程安全问题。由于Fiber是在同一个线程中执行的，因此你需要确保你的代码是线程安全的。
错误处理需要更加谨慎。由于Fiber可能会抛出异常，因此你需要确保你的代码能够正确地处理这些异常。

调试Fiber代码

调试Fiber代码可能会比较困难，因为Fiber的执行流程不像传统的同步代码那样直观。以下是一些调试Fiber代码的技巧：

使用Fiber::trace()： Fiber::trace()可以打印出Fiber的调用栈，帮助你了解Fiber的执行流程。
使用调试器： 一些IDE和调试器支持Fiber的调试，例如 Xdebug。你可以使用这些工具来单步执行Fiber代码，查看变量的值，等等。
记录日志： 在Fiber代码中添加日志，可以帮助你了解Fiber的执行状态。
单元测试： 编写单元测试可以帮助你验证Fiber代码的正确性。

Fiber的局限性与挑战

虽然Fiber为PHP并发编程带来了新的可能性，但它也存在一些局限性和挑战：

协作式并发： Fiber是协作式并发，这意味着Fiber必须主动让出控制权，才能让其他Fiber执行。如果一个Fiber长时间占用CPU，会导致其他Fiber无法执行。
阻塞IO： Fiber不能解决阻塞IO问题。如果一个Fiber执行阻塞IO操作，会导致整个进程被阻塞。因此，在使用Fiber时，必须使用异步IO库。
线程安全： Fiber是在同一个线程中执行的，因此需要注意线程安全问题。如果多个Fiber同时访问共享资源，可能会导致数据竞争。
框架支持： 并非所有的框架都支持Fiber的集成。

总结一下要点

Fiber是PHP 8.1引入的轻量级并发机制，它允许在用户态进行上下文切换，相较于传统线程，开销更小。虽然 Fiber 本身不是一个完整的异步框架，但可以用来构建自定义的异步任务调度器，或集成到现有框架中，例如实现中间件的异步化。尽管如此，使用 Fiber 需要注意协作式并发、阻塞IO和线程安全等问题。理解 Fiber 的原理和局限性，可以帮助我们更好地利用它来构建高性能的 PHP 应用。