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PHP `Mutex` (互斥锁) 与 `Semaphore` (信号量) 在 PHP 并发中的应用

各位听众，早上好/下午好/晚上好！很高兴今天能和大家聊聊PHP并发编程中两个非常重要的武器：Mutex（互斥锁）和 Semaphore（信号量）。这俩哥们儿，听起来好像很高级，但其实理解起来并不难，用起来也挺方便。今天我们就来好好地扒一扒它们，让你的PHP代码也能跑得更快更稳。

并发编程，一个不得不面对的现实

首先，我们得搞清楚为什么要关心并发编程。想象一下，你的网站突然来了好多用户，大家一起抢购商品、发布评论，服务器压力山大啊！如果你的代码是单线程的，那就像一条只有一个车道的马路，再多的车也得排队慢慢过。并发编程就是为了解决这个问题，让多个任务可以同时执行，就像修了多条车道，大大提高了效率。

PHP虽然以单线程为主，但通过一些扩展和技巧，我们仍然可以实现并发，提升性能。而Mutex和Semaphore，就是我们在并发场景下的好帮手。

Mutex：独占资源，谁也别想抢！

Mutex，全称Mutual Exclusion（互斥），顾名思思义，就是互相排斥的意思。它就像一把锁，一次只能有一个线程/进程拿到它，拿到锁的线程/进程就可以访问共享资源，用完之后必须释放锁，其他线程/进程才能有机会获得锁。

你可以把Mutex想象成只有一个钥匙的厕所门，谁拿到钥匙谁才能进去，其他人只能在外面等着。

使用场景：

  • 保护共享资源： 比如，多个进程/线程需要修改同一个文件、更新同一个数据库记录，为了避免数据错乱，就必须使用Mutex来保证同一时刻只有一个进程/线程在操作。
  • 防止竞态条件： 竞态条件是指程序的执行结果取决于多个线程/进程的执行顺序，而这种顺序是不确定的。Mutex可以保证操作的原子性，避免竞态条件。

PHP中使用Mutex的几种方式：

  1. 使用 flock() 函数： 这是PHP内置的文件锁机制，可以模拟Mutex的行为。

    <?php

$file = '/tmp/mutex.lock'; //锁文件

// 获取锁
$fp = fopen($file, 'w+');
if (flock($fp, LOCK_EX)) { // LOCK_EX 表示独占锁

    // 模拟耗时操作，访问共享资源
    echo "获得了锁，开始执行...n";
    sleep(5); // 模拟处理过程
    echo "执行完毕，释放锁...n";

    // 释放锁
    flock($fp, LOCK_UN); // LOCK_UN 表示释放锁
} else {
    echo "未能获得锁，稍后再试...n";
}

fclose($fp);

?>

    代码解释：

    • fopen($file, 'w+')：打开一个文件用于读写。
    • flock($fp, LOCK_EX)：尝试获取独占锁。如果成功，返回true，否则返回false。
    • flock($fp, LOCK_UN)：释放锁。
    • sleep(5)：模拟耗时操作，比如修改数据库、写入文件等。

    注意事项：

    • flock() 函数依赖于文件系统，因此只能用于本地文件。
    • 如果进程/线程意外退出，锁不会自动释放，可能会导致死锁。为了避免这种情况，可以设置超时时间或者使用try…finally来确保锁能够被释放。

  2. 使用 Mutex 扩展 (需要安装 pcntl 扩展): 这是更专业的Mutex实现，提供了更丰富的功能。

    <?php
if (!extension_loaded('pcntl')) {
    die('pcntl extension is required.');
}

if (!extension_loaded('sysvsem')) {
    die('sysvsem extension is required.');
}
$sem_key = ftok(__FILE__, 'm'); //  生成一个唯一的键
$sem_id = sem_get($sem_key, 1, 0666, 1); // 创建或获取信号量, 1表示初始值为1, 相当于Mutex
if ($sem_id === false) {
    die("Failed to acquire semaphore");
}

if (sem_acquire($sem_id)) { //尝试获取信号量 (锁)
    echo "获得了锁，开始执行...n";
    sleep(5); // 模拟处理过程
    echo "执行完毕，释放锁...n";
    sem_release($sem_id); // 释放信号量 (锁)
} else {
    echo "未能获得锁，稍后再试...n";
}
?>

    代码解释：

    • ftok(__FILE__, 'm')：生成一个唯一的键，用于标识信号量。__FILE__ 表示当前文件路径，'m' 是一个任意字符，只要保证不同文件使用不同的字符即可。
    • sem_get($sem_key, 1, 0666, 1)：创建或获取信号量。第一个参数是键，第二个参数是信号量数量（对于Mutex，通常为1），第三个参数是权限，第四个参数是初始值（1表示可用）。
    • sem_acquire($sem_id)：尝试获取信号量。如果信号量的值大于0，则获取成功，信号量的值减1；否则，阻塞等待，直到信号量的值大于0。
    • sem_release($sem_id)：释放信号量，信号量的值加1。

    注意事项：

    • 需要安装 pcntl 和 sysvsem 扩展。
    • 信号量是系统级别的资源，即使进程/线程退出，信号量仍然存在。如果忘记释放信号量，可能会导致其他进程/线程一直阻塞。为了避免这种情况，可以使用 sem_remove() 函数手动删除信号量。但务必小心使用，确保只在不再需要信号量时才删除。
    • 这种方式可以在不同的PHP进程之间实现互斥。

  3. 使用Redis等外部存储系统： 可以利用Redis的原子操作来实现分布式Mutex。

    <?php

$redis = new Redis();
$redis->connect('127.0.0.1', 6379);

$lockKey = 'my_mutex_lock';
$lockValue = uniqid(); //  生成一个唯一的值，用于标识锁的持有者
$lockTimeout = 10; // 锁的超时时间，单位秒

// 尝试获取锁
$lockAcquired = $redis->set($lockKey, $lockValue, ['NX', 'EX' => $lockTimeout]);

if ($lockAcquired) {
    echo "获得了锁，开始执行...n";
    sleep(5); // 模拟处理过程
    echo "执行完毕，释放锁...n";

    // 释放锁 (必须校验锁的持有者)
    if ($redis->get($lockKey) === $lockValue) {
        $redis->del($lockKey);
    } else {
        echo "警告：锁已被其他进程/线程获取，无法释放！n";
    }
} else {
    echo "未能获得锁，稍后再试...n";
}

$redis->close();

?>

    代码解释：

    • $redis->set($lockKey, $lockValue, ['NX', 'EX' => $lockTimeout])：尝试设置键 $lockKey 的值为 $lockValue，并设置选项 NX 和 EX。
      • NX：表示只有当键不存在时才设置成功，相当于 "SET if Not eXists"。
      • EX：表示设置键的过期时间，单位为秒。
    • $redis->get($lockKey)：获取键 $lockKey 的值。
    • $redis->del($lockKey)：删除键 $lockKey。

    注意事项：

    • 需要安装Redis扩展。
    • 使用Redis实现分布式锁的关键是利用Redis的原子操作，保证锁的获取和释放的原子性。
    • 为了避免死锁，需要设置锁的超时时间。即使进程/线程意外退出，锁也会在超时后自动释放。
    • 释放锁时，必须校验锁的持有者，确保只有持有锁的进程/线程才能释放锁。这是为了防止误删其他进程/线程的锁。
    • 可以使用Lua脚本来保证锁的获取和释放的原子性，避免竞态条件。

Mutex的优缺点：

  • 优点： 实现简单，易于理解和使用。
  • 缺点： 只能用于保护单个共享资源。如果需要保护多个共享资源，需要使用多个Mutex，容易导致死锁。

Semaphore：允许多个线程/进程访问资源，但有限制！

Semaphore，中文叫信号量，它比Mutex更强大。Mutex只允许一个线程/进程访问资源，而Semaphore允许指定数量的线程/进程同时访问资源。

你可以把Semaphore想象成有多个隔间的厕所，每个隔间都相当于一个资源。Semaphore的值就相当于可用隔间的数量。当一个线程/进程需要使用厕所时，它会尝试获取一个隔间（信号量的值减1）。如果所有隔间都被占用（信号量的值为0），则该线程/进程需要等待，直到有隔间空闲出来（信号量的值大于0）。当线程/进程使用完厕所后，它会释放隔间（信号量的值加1），让其他线程/进程可以使用。

使用场景：

  • 限制并发连接数： 比如，限制数据库连接数、限制API请求频率等。
  • 实现生产者-消费者模式： 生产者生产数据，消费者消费数据，Semaphore可以用来协调生产者和消费者的速度，避免生产者生产过快导致数据溢出，或者消费者消费过慢导致数据饥饿。

PHP中使用Semaphore：

Semaphore在PHP中主要依赖 sysvsem 扩展。

<?php
if (!extension_loaded('pcntl')) {
    die('pcntl extension is required.');
}

if (!extension_loaded('sysvsem')) {
    die('sysvsem extension is required.');
}
$sem_key = ftok(__FILE__, 's'); // 生成一个唯一的键
$sem_id = sem_get($sem_key, 3, 0666, 1); // 创建或获取信号量，3表示初始值为3，允许3个进程同时访问
if ($sem_id === false) {
    die("Failed to acquire semaphore");
}

if (sem_acquire($sem_id)) { // 尝试获取信号量
    echo "获得了信号量，开始执行...n";
    sleep(5); // 模拟耗时操作，访问共享资源
    echo "执行完毕，释放信号量...n";
    sem_release($sem_id); // 释放信号量
} else {
    echo "未能获得信号量，稍后再试...n";
}
?>

代码解释：

  • sem_get($sem_key, 3, 0666, 1)：创建或获取信号量。第二个参数 3 表示信号量的初始值为3，意味着允许3个进程/线程同时访问共享资源。

Semaphore的优缺点：

  • 优点： 可以限制并发访问资源的数量，防止资源耗尽。
  • 缺点： 实现相对复杂，容易出现死锁。

Mutex vs Semaphore：如何选择？

特性 Mutex (互斥锁) Semaphore (信号量)
目的 独占资源访问，一次只允许一个线程/进程访问 限制并发访问资源的数量，允许多个线程/进程同时访问，但有限制
资源数量 1 可以是任何非负整数
用途 保护共享资源，防止竞态条件 限制并发连接数，实现生产者-消费者模式等
实现难度 简单 相对复杂

简单总结：

  • 如果只需要保护单个共享资源，并且只允许一个线程/进程访问，那么Mutex是更好的选择。
  • 如果需要限制并发访问资源的数量，或者实现更复杂的并发控制，那么Semaphore是更好的选择。

死锁问题：一个需要警惕的陷阱

无论是Mutex还是Semaphore，都可能导致死锁。死锁是指两个或多个线程/进程相互等待对方释放资源，导致所有线程/进程都无法继续执行的情况。

常见的死锁场景：

  • 循环等待： 线程A持有资源1，等待资源2；线程B持有资源2，等待资源1。
  • 资源竞争： 多个线程/进程竞争同一个资源，但都没有释放资源。

如何避免死锁：

  • 避免循环等待： 按照固定的顺序获取资源，避免循环等待。
  • 设置超时时间： 在尝试获取锁的时候设置超时时间，如果超时仍然没有获取到锁，则放弃获取，避免一直等待。
  • 死锁检测： 定期检测是否存在死锁，如果发现死锁，则释放一些资源，打破死锁。

总结：并发编程，谨慎前行

Mutex和Semaphore是PHP并发编程中非常有用的工具，可以帮助我们提高程序的性能和稳定性。但是，并发编程也是一个复杂的主题，需要谨慎对待。在使用Mutex和Semaphore时，一定要仔细考虑使用场景，避免出现死锁等问题。希望今天的分享能帮助大家更好地理解和使用这两个利器，写出更高效、更健壮的PHP代码！

感谢大家的聆听！希望对你有所帮助。

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