Zend线程局部存储（TLS）：在多线程SAPI（如Apache Module）中隔离全局状态 - 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

Zend 线程局部存储 (TLS)：在多线程 SAPI 中隔离全局状态

大家好，今天我们来深入探讨一个在构建高性能、多线程 PHP 应用程序时至关重要的概念：Zend 线程局部存储 (TLS)。尤其是在像 Apache Module 这样的多线程 SAPI 环境中，正确地管理全局状态对于保证应用程序的稳定性和可预测性至关重要。

什么是线程局部存储 (TLS)？

在传统的编程模型中，全局变量在整个应用程序中都是可见的，并且可以被任何线程访问和修改。这在单线程环境中可能不是问题，但在多线程环境中，多个线程并发地访问和修改同一个全局变量会导致数据竞争、死锁等问题，从而导致应用程序崩溃或产生不可预测的结果。

线程局部存储 (TLS) 提供了一种机制，允许每个线程拥有其自己的全局变量副本。这意味着每个线程都可以独立地访问和修改其自己的变量副本，而不会影响其他线程。从每个线程的角度来看，这些变量看起来就像是全局变量，但实际上它们是线程私有的。

举个例子：

假设我们有一个全局变量 $request_id，用于跟踪每个 HTTP 请求。在多线程环境中，如果多个线程同时处理不同的请求，并且都使用同一个 $request_id 变量，那么就会发生数据竞争，导致请求 ID 混乱。

通过使用 TLS，我们可以为每个线程创建一个 $request_id 变量的副本。当一个线程处理一个请求时，它会访问和修改其自己的 $request_id 副本，而不会影响其他线程的 $request_id 副本。这样，每个请求都可以拥有唯一的请求 ID，从而避免了数据竞争。

Zend Engine 中的 TLS 实现

Zend Engine 提供了对 TLS 的支持，允许 PHP 扩展开发者创建线程私有的全局变量。Zend Engine 使用 pthread_key_t (POSIX threads key) 来管理 TLS 数据。每个线程都关联一个键值存储，其中键是 pthread_key_t 类型，值是与该键关联的线程特定数据。

Zend Engine 提供的相关 API：

zend_thread_id(): 获取当前线程的 ID。
pthread_key_create(): 创建一个新的线程局部存储键。
pthread_setspecific(): 将一个值与指定的线程局部存储键关联。
pthread_getspecific(): 获取与指定的线程局部存储键关联的值。
pthread_key_delete(): 删除一个线程局部存储键。

在 PHP 扩展中使用 TLS 的步骤：

创建线程局部存储键： 在扩展初始化阶段，使用 pthread_key_create() 创建一个或多个线程局部存储键。
分配线程局部数据： 在每个线程开始执行时，使用 pthread_setspecific() 将一个指向分配的内存的指针与线程局部存储键关联。
访问线程局部数据： 在线程执行期间，使用 pthread_getspecific() 获取与线程局部存储键关联的指针，然后使用该指针访问线程局部数据。
释放线程局部数据： 在线程结束执行时，使用 pthread_getspecific() 获取与线程局部存储键关联的指针，释放该指针指向的内存，并使用 pthread_setspecific() 将该键的值设置为 NULL。
删除线程局部存储键： 在扩展关闭阶段，使用 pthread_key_delete() 删除线程局部存储键。

代码示例：使用 TLS 隔离请求 ID

下面是一个简单的 PHP 扩展，演示了如何使用 TLS 来隔离请求 ID。

config.m4:

PHP_ARG_ENABLE(request_id, Whether to enable request_id support,
  [--enable-request-id  Enable request_id support])

if test "$PHP_REQUEST_ID" != "no"; then
  PHP_NEW_EXTENSION(request_id, request_id.c, $ext_shared)
fi

request_id.c:

#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif

#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "ext/standard/info.h"
#include "pthread.h"

zend_module_entry request_id_module_entry;
#define phpext_request_id_ptr &request_id_module_entry

PHP_INI_BEGIN()
    STD_PHP_INI_ENTRY("request_id.enabled", "1", PHP_INI_ALL, OnUpdateBool, enabled, zend_request_id_globals, request_id_globals)
PHP_INI_END()

typedef struct {
    zend_bool enabled;
    pthread_key_t request_id_key;
} request_id_globals;

ZEND_DECLARE_MODULE_GLOBALS(request_id)

static void request_id_globals_ctor(zend_request_id_globals *request_id_globals)
{
    request_id_globals->enabled = 0;
    pthread_key_create(&request_id_globals->request_id_key, NULL);
}

static void request_id_globals_dtor(zend_request_id_globals *request_id_globals)
{
    pthread_key_delete( &request_id_globals->request_id_key );
}

PHP_MINIT_FUNCTION(request_id)
{
    ZEND_INIT_MODULE_GLOBALS(request_id, request_id_globals_ctor, request_id_globals_dtor);
    REGISTER_INI_ENTRIES();
    return SUCCESS;
}

PHP_MSHUTDOWN_FUNCTION(request_id)
{
    UNREGISTER_INI_ENTRIES();
    return SUCCESS;
}

PHP_RINIT_FUNCTION(request_id)
{
#if defined(ZTS) && defined(COMPILE_DL_REQUEST_ID)
    ZEND_TSRMLS_CACHE_UPDATE();
#endif

    if (REQUEST_ID_G(enabled)) {
        char *request_id = (char *)emalloc(37); // 36 characters for UUID + null terminator
        sprintf(request_id, "%08x-%04x-%04x-%04x-%012x",
                rand(), rand() & 0xffff, rand() & 0xffff, rand() & 0xffff, rand());
        pthread_setspecific(REQUEST_ID_G(request_id_key), request_id);
    }

    return SUCCESS;
}

PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(request_id)
{
    if (REQUEST_ID_G(enabled)) {
        char *request_id = (char *)pthread_getspecific(REQUEST_ID_G(request_id_key));
        if (request_id) {
            efree(request_id);
            pthread_setspecific(REQUEST_ID_G(request_id_key), NULL);
        }
    }

    return SUCCESS;
}

PHP_FUNCTION(get_request_id)
{
    if (!REQUEST_ID_G(enabled)) {
        RETURN_NULL();
    }

    char *request_id = (char *)pthread_getspecific(REQUEST_ID_G(request_id_key));
    if (request_id) {
        RETURN_STRING(request_id);
    } else {
        RETURN_NULL();
    }
}

const zend_function_entry request_id_functions[] = {
    PHP_FE(get_request_id, NULL)
    PHP_FE_END
};

zend_module_entry request_id_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "request_id",
    request_id_functions,
    PHP_MINIT(request_id),
    PHP_MSHUTDOWN(request_id),
    PHP_RINIT(request_id),
    PHP_RSHUTDOWN(request_id),
    NULL,
    PHP_REQUEST_ID_VERSION,
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_REQUEST_ID
#ifdef ZTS
ZEND_TSRMLS_CACHE_DEFINE()
#endif
ZEND_GET_MODULE(request_id)
#endif

request_id.php:

<?php

// 启用 request_id 扩展
ini_set('request_id.enabled', 1);

// 获取请求 ID
$request_id = get_request_id();

echo "Request ID: " . $request_id . "n";

// 模拟一些耗时操作
sleep(1);

// 再次获取请求 ID
$request_id2 = get_request_id();

echo "Request ID (after sleep): " . $request_id2 . "n";

// 验证请求 ID 是否相同
if ($request_id === $request_id2) {
    echo "Request ID is consistent.n";
} else {
    echo "Request ID is inconsistent!n";
}

?>

这个扩展做了以下几件事：

定义了一个 INI 设置 request_id.enabled： 用于启用或禁用请求 ID 功能。
创建了一个线程局部存储键 request_id_key： 用于存储每个线程的请求 ID。
在 PHP_RINIT_FUNCTION 中： 当每个请求开始时，生成一个唯一的请求 ID，并将其存储在线程局部存储中。
在 PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION 中： 当每个请求结束时，释放线程局部存储中的请求 ID。
提供了一个函数 get_request_id()： 用于从线程局部存储中获取当前线程的请求 ID。

编译和安装扩展：

phpize
./configure
make
sudo make install

在 php.ini 中添加 extension=request_id.so 并重启 Web 服务器。

重要说明：

上述代码使用了 emalloc 和 efree 进行内存管理，这是 Zend Engine 提供的内存管理函数，可以确保在请求结束时正确释放内存。
pthread_setspecific 需要一个 void * 类型的参数，因此我们需要将请求 ID 转换为 void * 类型。
pthread_getspecific 返回一个 void * 类型的指针，因此我们需要将其转换回 char * 类型。

TLS 的优势和劣势

优势：

线程安全： 每个线程拥有其自己的变量副本，避免了数据竞争和死锁。
代码简洁： 可以像使用全局变量一样使用线程局部变量，而无需显式地传递线程上下文。
性能优化： 在某些情况下，使用 TLS 可以避免锁的使用，从而提高性能。

劣势：

内存消耗： 每个线程都需要分配自己的变量副本，可能会增加内存消耗。
初始化和清理： 需要显式地初始化和清理线程局部变量，增加了代码的复杂性。
调试困难： 由于每个线程拥有其自己的变量副本，因此调试多线程应用程序可能会比较困难。

何时使用 TLS

TLS 适用于以下场景：

需要在多线程环境中共享数据，但又不想使用锁来保护数据。
需要在每个线程中维护一些状态信息，例如请求 ID、用户会话等。
需要优化性能，避免锁的使用。

不适合使用 TLS 的场景：

需要在多个线程之间共享数据，并且需要保证数据的一致性。
只需要在单线程环境中使用变量。
内存资源非常有限。

TLS 与全局变量的比较

特性	全局变量	线程局部存储 (TLS)
作用域	整个应用程序	单个线程
线程安全	不安全	安全
内存消耗	每个应用程序只有一个副本	每个线程都有一个副本
初始化	在程序启动时初始化	在每个线程开始执行时初始化
适用场景	只需要在单线程环境中使用的变量	需要在多线程环境中共享数据，但又不想使用锁来保护数据
调试难度	相对容易	相对困难

使用 TLS 的注意事项

谨慎使用： 不要滥用 TLS，只在必要的时候才使用。
正确初始化和清理： 务必在每个线程开始执行时初始化线程局部变量，并在线程结束执行时清理线程局部变量。
避免内存泄漏： 确保正确释放线程局部变量所占用的内存。
注意性能： 虽然 TLS 可以避免锁的使用，但也会增加内存消耗，因此需要仔细评估性能影响。
考虑平台差异： 不同的操作系统和编译器对 TLS 的实现可能有所不同，需要进行适当的适配。

总结

Zend 线程局部存储 (TLS) 是一种强大的工具，可以帮助我们在多线程 PHP 应用程序中隔离全局状态，从而提高应用程序的稳定性和性能。但是，TLS 也不是万能的，需要谨慎使用，并注意相关的注意事项。理解 TLS 的工作原理，才能在多线程 PHP 开发中写出更健壮的代码。

希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解 Zend TLS 的概念和使用方法。谢谢大家！