PHP `Stream Select` / `Poll` / `Epoll`：I/O 多路复用的底层原理

各位观众老爷，早上好！我是老码农，今天跟大家聊聊PHP里那些“见多识广”的 I/O 多路复用技术，什么Stream Select、Poll、Epoll，听起来是不是像武林秘籍？别怕，咱们把它拆解了，保证你听完能用它们在PHP的世界里“降妖伏魔”。

开场白：为啥需要“多路复用”？

想象一下，你是一个餐厅服务员，只有一个服务员，但是有很多顾客同时点餐。传统的做法是：

跑到A顾客那里问：“点啥？”
跑到B顾客那里问：“点啥？”
跑到C顾客那里问：“点啥？”
……

如果顾客很多，你就会累死。而且，如果A顾客点了菜之后要等很久才能做好，你还得一直守着他，浪费时间。

这种模式，就类似于传统的阻塞I/O。 PHP脚本就像这个服务员，每个连接就像一个顾客。如果PHP要处理多个连接，就得一个一个地处理，如果某个连接阻塞了（比如等待网络数据），整个PHP进程就会卡住，其他连接就得等着。

所以，我们需要更高效的服务员，他能同时观察多个顾客，谁准备好了就先服务谁。这就是 I/O 多路复用的思想。

主角登场：Stream Select、Poll、Epoll

这三位就是PHP I/O 多路复用的三大法宝，它们的作用都是监控多个文件描述符（file descriptor，简称fd），看看哪些fd准备好了（可读、可写、出错）。

文件描述符（fd）是什么？

简单来说，fd就是操作系统给每个打开的文件（包括socket）分配的一个数字编号。你可以把它想象成餐厅里每个顾客的桌号。PHP通过fd来操作这些文件或socket。

三者的区别：

特性	Stream Select	Poll	Epoll
实现方式	轮询	轮询	事件通知
文件描述符限制	有上限（通常1024）	理论上无上限	理论上无上限
性能	较低	中等	较高
适用场景	连接数较少	连接数中等	连接数非常多
操作系统支持	所有	POSIX标准	Linux特有

1. Stream Select：最原始的“巡逻员”

stream_select() 函数是PHP里最基础的 I/O 多路复用函数，它会监控你指定的socket集合，看看哪些socket可以读、可以写、或者出错。

函数原型：

int stream_select ( array &$read , array &$write , array &$except , int $seconds [, int $microseconds = 0 ] )

$read：需要监控的可读socket数组，函数返回时，只有可读的socket会被保留在数组中。
$write：需要监控的可写socket数组，函数返回时，只有可写的socket会被保留在数组中。
$except：需要监控的异常socket数组，函数返回时，只有异常的socket会被保留在数组中。
$seconds：超时时间（秒）。
$microseconds：超时时间（微秒）。

代码示例：

<?php

// 创建两个socket
$socket1 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
$socket2 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8081", $errno, $errstr);

if (!$socket1 || !$socket2) {
    die("Failed to create sockets: $errstr ($errno)n");
}

stream_set_blocking($socket1, 0); // 设置非阻塞模式
stream_set_blocking($socket2, 0); // 设置非阻塞模式

$read = [$socket1, $socket2];
$write = [];
$except = [];

while (true) {
    // 复制数组，因为 stream_select 会修改原数组
    $read_copy = $read;
    $write_copy = $write;
    $except_copy = $except;

    // 监控socket
    $num_changed_streams = stream_select($read_copy, $write_copy, $except_copy, null); // 第四个参数 null 表示一直阻塞直到有事件发生

    if ($num_changed_streams === false) {
        echo "stream_select() failedn";
        break;
    } elseif ($num_changed_streams > 0) {
        // 遍历可读socket
        foreach ($read_copy as $socket) {
            if ($socket == $socket1) {
                // socket1 有新的连接
                $new_conn = stream_socket_accept($socket1);
                if ($new_conn) {
                    echo "New connection on socket1n";
                    $read[] = $new_conn; // 将新连接添加到监控列表中
                    stream_set_blocking($new_conn, 0);
                }
            } elseif ($socket == $socket2) {
                // socket2 有新的连接
                $new_conn = stream_socket_accept($socket2);
                if ($new_conn) {
                    echo "New connection on socket2n";
                    $read[] = $new_conn; // 将新连接添加到监控列表中
                    stream_set_blocking($new_conn, 0);
                }
            } else {
                // 其他socket 有数据可读
                $data = fread($socket, 1024);
                if ($data === false || strlen($data) === 0) {
                    // 连接关闭或出错
                    echo "Connection closed or errorn";
                    fclose($socket);
                    $key = array_search($socket, $read);
                    if ($key !== false) {
                        unset($read[$key]); // 从监控列表中移除
                    }
                } else {
                    echo "Received data: " . $data . "n";
                    fwrite($socket, "Echo: " . $data); // Echo back
                }
            }
        }

        // 处理可写socket（这里省略，因为示例主要关注可读）
        // 处理异常socket（这里省略）
    }
}

fclose($socket1);
fclose($socket2);

?>

Stream Select 的缺点：

轮询： stream_select() 需要轮询整个socket数组，效率较低。想象一下，你每次都要把所有顾客都看一遍，才能知道谁准备好了，效率肯定不高。
文件描述符限制： 在一些老版本的操作系统上，stream_select() 有文件描述符数量的限制（通常是1024）。

2. Poll：升级版的“巡逻员”

Poll 也是一种 I/O 多路复用技术，它比 stream_select 稍先进一些。理论上，Poll 没有文件描述符数量的限制。

PHP里没有直接对应的poll()函数，通常需要借助扩展，或者使用stream_select()模拟。 由于直接使用扩展较少，此处重点讲解使用stream_select()模拟poll()的行为。

模拟poll()的代码示例：

<?php

// 创建两个socket
$socket1 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
$socket2 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8081", $errno, $errstr);

if (!$socket1 || !$socket2) {
    die("Failed to create sockets: $errstr ($errno)n");
}

stream_set_blocking($socket1, 0); // 设置非阻塞模式
stream_set_blocking($socket2, 0); // 设置非阻塞模式

$sockets = [$socket1, $socket2]; // 所有的socket

while (true) {
    $read = $sockets; // 所有socket都参与读事件的监控
    $write = [];
    $except = [];

    // 监控socket
    $num_changed_streams = stream_select($read, $write, $except, null);

    if ($num_changed_streams === false) {
        echo "stream_select() failedn";
        break;
    } elseif ($num_changed_streams > 0) {
        // 遍历可读socket
        foreach ($read as $socket) {
            if ($socket == $socket1 || $socket == $socket2) {
                // socket1 or socket2 有新的连接
                $new_conn = stream_socket_accept($socket);
                if ($new_conn) {
                    echo "New connection on " . ($socket == $socket1 ? "socket1" : "socket2") . "n";
                    $sockets[] = $new_conn; // 将新连接添加到监控列表中
                    stream_set_blocking($new_conn, 0);
                }
            } else {
                // 其他socket 有数据可读
                $data = fread($socket, 1024);
                if ($data === false || strlen($data) === 0) {
                    // 连接关闭或出错
                    echo "Connection closed or errorn";
                    fclose($socket);
                    $key = array_search($socket, $sockets);
                    if ($key !== false) {
                        unset($sockets[$key]); // 从监控列表中移除
                    }
                } else {
                    echo "Received data: " . $data . "n";
                    fwrite($socket, "Echo: " . $data); // Echo back
                }
            }
        }

        // 处理可写socket（这里省略）
        // 处理异常socket（这里省略）
    }
}

fclose($socket1);
fclose($socket2);

?>

Poll 的优点 (相对 Stream Select)：

理论上没有文件描述符数量的限制。
在一些系统上，Poll 可能比 stream_select 更高效，因为它使用更底层的数据结构。

Poll 的缺点：

仍然需要轮询整个socket数组，效率相对较低。

3. Epoll：最先进的“情报员”

Epoll 是 Linux 系统特有的一种 I/O 多路复用技术，它采用了事件通知机制，只有当socket真正有事件发生时，才会通知PHP进程。

Epoll 的优势：

高效： 不需要轮询，只有活跃的socket才会被处理。想象一下，情报员只在你需要的顾客准备好了的时候才告诉你，效率当然高。
支持大量连接： 可以轻松处理数万甚至数十万个并发连接。

PHP里使用Epoll需要借助扩展，比如event扩展。

使用event扩展的代码示例：

<?php

// 创建EventBase
$base = new EventBase();

// 创建两个socket
$socket1 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
$socket2 = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8081", $errno, $errstr);

if (!$socket1 || !$socket2) {
    die("Failed to create sockets: $errstr ($errno)n");
}

stream_set_blocking($socket1, 0);
stream_set_blocking($socket2, 0);

// 可读事件回调函数
$read_callback = function ($socket, $event, $arg) use ($base, &$read_event) {
    if ($socket == $arg['server_socket']) {
        // 有新的连接
        $new_conn = stream_socket_accept($socket);
        if ($new_conn) {
            echo "New connection on " . ($socket == $socket1 ? "socket1" : "socket2") . "n";
            stream_set_blocking($new_conn, 0);

            //为新连接创建新的可读事件
            $read_event_client = new Event($base, $new_conn, Event::READ | Event::PERSIST, $read_callback, ['server_socket' => $arg['server_socket']]);
            $read_event_client->add();

        }
    } else {
        // 有数据可读
        $data = fread($socket, 1024);
        if ($data === false || strlen($data) === 0) {
            // 连接关闭或出错
            echo "Connection closed or errorn";
            fclose($socket);
            $event->del(); //删除事件
        } else {
            echo "Received data: " . $data . "n";
            fwrite($socket, "Echo: " . $data); // Echo back
        }
    }

};

// 为两个server socket分别注册READ事件
$read_event1 = new Event($base, $socket1, Event::READ | Event::PERSIST, $read_callback, ['server_socket' => $socket1]);
$read_event1->add();

$read_event2 = new Event($base, $socket2, Event::READ | Event::PERSIST, $read_callback, ['server_socket' => $socket2]);
$read_event2->add();

// 循环处理事件
$base->loop();

fclose($socket1);
fclose($socket2);

?>

代码解释：

创建EventBase： EventBase 是 event 扩展的核心，它负责管理所有的事件。
创建Event： Event 对象代表一个事件，我们需要指定监控的socket、事件类型（Event::READ、Event::WRITE等）、以及回调函数。
添加事件： $event->add() 将事件添加到 EventBase 中，开始监控。
循环处理事件： $base->loop() 会一直循环，直到没有事件需要处理。当有事件发生时，event 扩展会自动调用相应的回调函数。
Event::PERSIST 表示持久事件，触发一次后不会自动删除，可以一直监听。

Epoll 的缺点：

只能在 Linux 系统上使用。
使用起来比 stream_select 更复杂。

总结：选哪个好？

连接数较少： stream_select 够用，简单易懂。
连接数中等： 尝试使用其他扩展提供的 poll 或 libevent 扩展，或者使用 stream_select 模拟。
连接数非常多： 必须使用 Epoll (或者其他类似的事件通知机制)，例如 libevent 扩展。

实际应用场景：

高性能服务器： 比如 Node.js、Nginx 等，它们都使用了 I/O 多路复用技术来处理大量的并发连接。
聊天室： 可以使用 I/O 多路复用技术来实时接收和发送消息。
游戏服务器： 可以使用 I/O 多路复用技术来处理多个玩家的请求。

结尾：掌握“多路复用”，走向PHP高并发之路！

I/O 多路复用是构建高性能PHP应用的关键技术之一。理解了它的原理，你就能更好地利用PHP处理高并发，构建更强大的应用。希望今天的讲解对大家有所帮助！下次有机会再跟大家聊聊其他PHP底层技术。散会！

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