PHP `pthreads` (已弃用，PHP 7.2 后不推荐) / `Worker`：多线程编程与共享内存

Alright, buckle up, folks! 今天咱们来聊聊 PHP 里的“线程”这玩意儿，以及那些年我们一起踩过的“共享内存”的坑。虽然 pthreads 已经凉凉了（RIP，PHP 7.2 之后就劝退了），但它留下的多线程编程思想，还是值得我们好好研究一番的。毕竟，技多不压身嘛！

开场白：单线程的烦恼

想象一下，你开了一家煎饼摊，一次只能做一个煎饼。顾客排着长队，你手忙脚乱，好不容易做完一个，才能开始下一个。这就是单线程的真实写照！PHP 传统上就是个“煎饼侠”，一次只能处理一个请求。

但如果有了多线程，就好比你雇了几个帮手，可以同时煎好几个煎饼。这样，顾客就不用等那么久了，你的煎饼摊也就能接待更多的顾客了。

什么是线程？进程？傻傻分不清？

在正式开始之前，咱们先来理清一些基本概念：

进程 (Process): 进程就像一个独立的“煎饼摊”，拥有自己的资源（比如煎饼锅、面糊、酱料等等）。每个进程之间是相互隔离的，一个煎饼摊的倒闭不会影响其他煎饼摊的生意。
线程 (Thread): 线程就像“煎饼摊”里的“煎饼师傅”，他们共享同一个“煎饼摊”的资源，可以协同工作，更快地煎出更多的煎饼。

简单来说，一个进程可以包含多个线程。线程是进程中实际运作的最小单位。

pthreads 的前世今生

pthreads 是 PHP 的一个扩展，允许我们创建和管理线程。它可以让我们在 PHP 中实现真正的并发，提高程序的性能。

但理想很丰满，现实很骨感。pthreads 在 PHP 中实现起来比较复杂，而且存在一些问题，比如：

资源竞争：多个线程同时访问共享资源时，可能会出现数据不一致的情况（比如两个师傅同时抢一罐酱料）。
死锁：多个线程互相等待对方释放资源，导致程序卡死（比如两个师傅都等着对方先用煎饼锅）。
内存泄漏：线程创建和销毁的过程中，可能会导致内存泄漏。

也正因为这些问题，pthreads 在 PHP 7.2 之后就被官方劝退了。

Worker：pthreads 的遗产

虽然 pthreads 已经过时，但它留下了一个很有用的概念：Worker。 Worker 可以看作是一个简化的线程，它在一个独立的进程中运行，并与主进程通过消息队列进行通信。

Worker 的优点是：

隔离性更好： Worker 运行在独立的进程中，可以避免线程之间的资源竞争和死锁问题。
更稳定： Worker 的崩溃不会影响主进程的运行。
更容易使用： Worker 的 API 比 pthreads 更加简单易懂。

Worker 实战：异步任务处理

咱们来看一个 Worker 的实际应用：异步任务处理。假设你的网站需要发送大量的邮件，如果直接在主进程中发送，会阻塞用户的请求，影响用户体验。这时，我们可以使用 Worker 来异步发送邮件。

<?php

class EmailWorker extends Worker {
    public function run() {
        while ($this->isRunning()) {
            $task = $this->receive();
            if ($task) {
                $this->sendEmail($task['email'], $task['subject'], $task['message']);
            } else {
                // 没有任务时，稍微休息一下
                sleep(1);
            }
        }
    }

    private function sendEmail($email, $subject, $message) {
        // 这里是发送邮件的逻辑
        echo "Sending email to: " . $email . "n";
        echo "Subject: " . $subject . "n";
        echo "Message: " . $message . "n";
        sleep(2); // 模拟发送邮件的耗时
        echo "Email sent to: " . $email . "n";
    }
}

class EmailTask extends Stackable {
    public $email;
    public $subject;
    public $message;

    public function __construct($email, $subject, $message) {
        $this->email = $email;
        $this->subject = $subject;
        $this->message = $message;
    }

    public function run() {
        // 这里是任务的执行逻辑，实际上不需要在这里执行，而是传递给 Worker
        // $this->worker->sendEmail($this->email, $this->subject, $this->message);
    }
}

// 创建 Worker 池
$pool = new Pool(4, Worker::class, [], null); // 4 个 Worker

// 提交任务
for ($i = 0; $i < 10; $i++) {
    $email = "user" . $i . "@example.com";
    $subject = "Hello from Worker #" . $i;
    $message = "This is a test email from Worker #" . $i;

    $task = new EmailTask($email, $subject, $message);
    $pool->submit($task);
}

// 关闭 Worker 池
$pool->shutdown();

echo "All tasks submitted.n";

?>

这段代码做了什么？

定义 EmailWorker 类： 继承自 Worker 类，重写 run() 方法，用于处理邮件发送任务。run() 方法会不断从消息队列中接收任务，并调用 sendEmail() 方法发送邮件。
定义 EmailTask 类： 继承自 Stackable 类，用于封装邮件发送任务的数据（email, subject, message）。Stackable 是 pthreads 中用于在线程之间传递数据的类。
创建 Pool 对象： Pool 用于管理多个 Worker 实例。这里创建了一个包含 4 个 Worker 的池子。
提交任务： 使用 Pool::submit() 方法将邮件发送任务提交给 Worker 池。
关闭 Pool 对象： 使用 Pool::shutdown() 方法关闭 Worker 池。

共享内存：甜蜜的负担

在多线程编程中，共享内存是一个绕不开的话题。共享内存允许多个线程访问同一块内存区域，从而实现数据共享。

但是，共享内存也带来了一些问题：

数据竞争： 多个线程同时修改共享内存中的数据，可能会导致数据不一致。
死锁： 多个线程互相等待对方释放共享内存的锁，导致程序卡死。

为了解决这些问题，我们需要使用一些同步机制，比如锁、信号量等等。

锁 (Lock)：一把钥匙开一把锁

锁是最常用的同步机制。它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以访问共享内存。

<?php

class Counter extends Thread {
    private $lock;
    private $counter;

    public function __construct() {
        $this->lock = Mutex::create(); // 创建互斥锁
        $this->counter = 0;
    }

    public function run() {
        for ($i = 0; $i < 10000; $i++) {
            Mutex::lock($this->lock); // 加锁
            $this->counter++;
            Mutex::unlock($this->lock); // 解锁
        }
    }

    public function getCounter() {
        return $this->counter;
    }

    public function __destruct() {
        Mutex::free($this->lock); // 释放互斥锁
    }
}

$threads = [];
for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
    $threads[] = new Counter();
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->start();
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->join();
}

$total = 0;
foreach ($threads as $thread) {
    $total += $thread->getCounter();
}

echo "Total: " . $total . "n"; // 理论上应该是 50000

?>

这段代码创建了 5 个线程，每个线程都会将 counter 变量加 10000 次。为了避免数据竞争，我们使用了互斥锁 (Mutex) 来保护 counter 变量。

信号量 (Semaphore)：流量管制员

信号量可以控制同时访问共享资源的线程数量。

<?php

class ConnectionPool {
    private $semaphore;
    private $connections = [];
    private $maxConnections;

    public function __construct($maxConnections) {
        $this->maxConnections = $maxConnections;
        $this->semaphore = Semaphore::create($maxConnections); // 创建信号量
    }

    public function getConnection() {
        Semaphore::acquire($this->semaphore); // 获取信号量
        $connection = $this->createConnection();
        $this->connections[] = $connection;
        return $connection;
    }

    public function releaseConnection($connection) {
        $key = array_search($connection, $this->connections, true);
        if ($key !== false) {
            unset($this->connections[$key]);
        }
        Semaphore::release($this->semaphore); // 释放信号量
    }

    private function createConnection() {
        // 这里是创建数据库连接的逻辑
        echo "Creating a new connection...n";
        sleep(1); // 模拟创建连接的耗时
        return new stdClass(); // 模拟数据库连接对象
    }

    public function __destruct() {
        Semaphore::remove($this->semaphore); // 移除信号量
    }
}

class DatabaseQuery extends Thread {
    private $connectionPool;

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

    public function run() {
        $connection = $this->connectionPool->getConnection();
        // 这里是执行数据库查询的逻辑
        echo "Executing a database query...n";
        sleep(2); // 模拟查询的耗时
        $this->connectionPool->releaseConnection($connection);
        echo "Query finished.n";
    }
}

$connectionPool = new ConnectionPool(3); // 限制最多 3 个连接

$threads = [];
for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
    $threads[] = new DatabaseQuery($connectionPool);
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->start();
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->join();
}

echo "All queries finished.n";

?>

这段代码模拟了一个数据库连接池，使用信号量来限制同时连接到数据库的线程数量。

表格总结：同步机制

机制	作用	适用场景
锁 (Lock)	保证在同一时刻，只有一个线程可以访问共享资源。	保护共享变量，避免数据竞争。
信号量 (Semaphore)	控制同时访问共享资源的线程数量。	限制数据库连接数量，避免资源耗尽。
条件变量 (Condition Variable)	允许线程在特定条件下等待，并在条件满足时被唤醒。	实现生产者-消费者模式，等待特定事件发生。
原子操作 (Atomic Operations)	提供原子性的读写操作，避免数据竞争。	简单的计数器操作，不需要复杂的锁机制。

pthreads 时代的共享数据：Threaded 类的爱恨情仇

在 pthreads 时代，为了在线程之间共享数据，我们需要使用 Threaded 类。 Threaded 类是 pthreads 中用于在线程之间传递数据的基类。

<?php

class MyData extends Threaded {
    public $value;

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

class MyThread extends Thread {
    private $data;

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

    public function run() {
        $this->data->value++;
        echo "Thread " . $this->getThreadId() . ": " . $this->data->value . "n";
    }
}

$data = new MyData(10);

$threads = [];
for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
    $threads[] = new MyThread($data);
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->start();
}

foreach ($threads as $thread) {
    $thread->join();
}

echo "Main thread: " . $data->value . "n";

?>

这段代码创建了一个 MyData 类，继承自 Threaded 类，用于存储一个整数值。然后创建了 5 个线程，每个线程都会将 MyData 对象的 value 属性加 1。

Stackable：Threaded 的小伙伴

Stackable 是 Threaded 的一个子类，用于在 Worker 和主进程之间传递数据。就像前面 EmailTask 例子里展示的那样。

Alternatives：另辟蹊径

既然 pthreads 已经凉了，我们还有其他选择吗？当然有！

pcntl 扩展： pcntl 扩展允许我们创建和管理进程。进程之间的通信可以使用 posix_msg_queue 或 shmop 等扩展。
消息队列 (Message Queue)： 使用消息队列（比如 RabbitMQ, Redis）来实现异步任务处理。
Swoole / RoadRunner： 使用 Swoole 或 RoadRunner 等异步框架，可以更容易地实现并发。

总结：多线程编程的黄金法则

尽量避免共享内存： 如果可以避免，尽量不要使用共享内存。使用消息传递或其他机制来实现线程之间的通信。
使用锁来保护共享资源： 如果必须使用共享内存，一定要使用锁来保护共享资源。
避免死锁： 小心设计你的代码，避免死锁的发生。
及时释放资源： 在线程结束时，一定要及时释放所有资源（锁、内存等等）。
选择合适的并发模型： 根据你的应用场景，选择合适的并发模型（线程、进程、异步）。

结尾：并发的未来

虽然 pthreads 已经成为了历史，但多线程编程的思想仍然很重要。随着计算机硬件的发展，多核 CPU 已经成为主流。掌握多线程编程技术，可以让我们更好地利用硬件资源，提高程序的性能。

好了，今天的“煎饼摊”理论就讲到这里。希望大家有所收获！记住，并发的世界充满了挑战，但同时也充满了机遇。祝大家编程愉快！

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