PHP Coroutine Local Storage (CLS) 实现：利用Zval弱引用或Fiber局部变量的生命周期管理

各位同学，今天我们来深入探讨一个在PHP协程编程中至关重要的话题：Coroutine Local Storage，简称CLS。在并发环境下，尤其是在协程中，我们需要一种机制来隔离每个协程的数据，防止数据污染和竞争。CLS 就是解决这个问题的利器。

1. 什么是Coroutine Local Storage (CLS)?

想象一下，在传统的多线程编程中，线程本地存储（Thread Local Storage, TLS）允许每个线程拥有自己独立的数据副本。CLS 在协程编程中扮演着类似的角色。它允许每个协程拥有自己独立的、与其它协程隔离的数据存储空间。这样，我们就可以在协程内部安全地访问和修改数据，而不用担心被其他协程干扰。

具体来说，CLS 允许我们存储一些特定于当前协程上下文的数据，例如：

用户会话信息
数据库连接
日志上下文信息
请求ID

2. 为什么需要 CLS？

在传统的PHP应用中，全局变量和静态变量是常用的数据共享方式。但是在协程环境中，这些方式会带来严重的问题，主要体现在以下几个方面：

数据污染： 多个协程并发执行时，如果它们共享全局变量或静态变量，可能会导致数据被意外覆盖或修改，从而产生不可预测的错误。
并发安全问题： 对共享变量的并发访问需要加锁，这会降低程序的性能，并增加代码的复杂性。
代码可维护性： 过度依赖全局变量会使代码难以理解和维护，因为数据的来源和修改位置变得模糊不清。

CLS 提供了一种更优雅、更安全的方式来管理协程上下文中的数据，它可以有效地解决上述问题。

3. CLS 的实现方式

在PHP中，实现 CLS 有多种方式。我们重点介绍两种比较常见且高效的方法：

基于 Zval 弱引用： 利用 PHP 底层 Zval 结构体的弱引用特性，将数据存储在一个全局的容器中，并通过协程 ID 作为键来访问。当协程结束时，如果数据没有其他强引用，Zval 会被垃圾回收器自动回收。
基于 Fiber 局部变量： 利用 PHP 8.1 引入的 Fiber 局部变量，每个 Fiber 实例都拥有自己独立的变量空间。这种方法更加简洁高效，但只能在 PHP 8.1 及以上版本中使用。

下面我们分别详细介绍这两种实现方式。

3.1 基于 Zval 弱引用的 CLS 实现

这种方法的核心思想是：

创建一个全局的容器（例如数组），用于存储每个协程的数据。
使用协程 ID 作为容器的键。
将数据存储为 Zval 弱引用，这样当协程结束后，如果数据没有其他强引用，就会被自动回收。

<?php

use SwooleCoroutine;
use SwooleCoroutineWaitGroup;

class CoroutineLocalStorage
{
    private static array $storage = [];

    public static function get(string $key, mixed $default = null): mixed
    {
        $cid = Coroutine::getCid();
        if ($cid === -1) {
            return $default;
        }

        if (isset(self::$storage[$cid][$key])) {
            return self::$storage[$cid][$key];
        }

        return $default;
    }

    public static function set(string $key, mixed $value): void
    {
        $cid = Coroutine::getCid();
        if ($cid === -1) {
            return;
        }

        if (!isset(self::$storage[$cid])) {
            self::$storage[$cid] = [];
        }

        self::$storage[$cid][$key] = $value;
    }

    public static function delete(string $key): void
    {
        $cid = Coroutine::getCid();
        if ($cid === -1) {
            return;
        }

        if (isset(self::$storage[$cid][$key])) {
            unset(self::$storage[$cid][$key]);
        }
    }

    public static function clear(): void
    {
        $cid = Coroutine::getCid();
        if ($cid === -1) {
            return;
        }

        unset(self::$storage[$cid]);
    }
}

// 使用示例
$wg = new WaitGroup();
$wg->add(2);

Coroutine::create(function () use ($wg) {
    CoroutineLocalStorage::set('user_id', 123);
    Coroutine::sleep(0.1); // 模拟一些耗时操作
    echo "Coroutine 1: user_id = " . CoroutineLocalStorage::get('user_id') . PHP_EOL; // 输出 123
    $wg->done();
});

Coroutine::create(function () use ($wg) {
    Coroutine::sleep(0.05); // 确保 Coroutine 1 先执行
    echo "Coroutine 2: user_id = " . CoroutineLocalStorage::get('user_id', 'N/A') . PHP_EOL; // 输出 N/A
    $wg->done();
});

$wg->wait();

代码解释：

CoroutineLocalStorage 类封装了 CLS 的操作。
$storage 静态数组用于存储每个协程的数据。键是协程ID, 值是该协程存储的数据的关联数组
get() 方法用于获取指定键的值，如果不存在则返回默认值。
set() 方法用于设置指定键的值。
delete() 方法用于删除指定键的值。
clear() 方法用于清除当前协程的所有数据。
Coroutine::getCid() 获取当前协程的 ID。
使用 SwooleCoroutineWaitGroup 来等待所有协程执行完成。

Zval 弱引用的优势：

实现简单，易于理解。
可以兼容较低版本的 PHP。

Zval 弱引用的劣势：

需要手动管理协程 ID 和数据之间的关系。
性能相对较低，因为需要频繁地访问全局数组。
依赖 Swoole 扩展，通用性稍差。
没有真正意义上的弱引用，因为 self::$storage[$cid][$key] 始终持有数据的引用，只有在 unset(self::$storage[$cid][$key]) 后才能被回收。这里使用的弱引用概念是相对的，即当协程结束后，self::$storage[$cid] 会被 unset 或被其他协程覆盖，从而间接释放数据。

3.2 基于 Fiber 局部变量的 CLS 实现

PHP 8.1 引入了 Fiber 局部变量，为实现 CLS 提供了一种更加优雅和高效的方式。Fiber 局部变量是 Fiber 实例独有的，与其他 Fiber 实例隔离。

<?php

use Fiber;
use FiberError;
use SwooleCoroutine;
use SwooleCoroutineWaitGroup;

class FiberLocalStorage
{
    private static array $storage = [];

    public static function get(string $key, mixed $default = null): mixed
    {
        try {
            $fiber = Fiber::getCurrent();
            if ($fiber === null) {
                return $default;
            }

            $id = spl_object_id($fiber);

            if (isset(self::$storage[$id][$key])) {
                return self::$storage[$id][$key];
            }

            return $default;

        } catch (FiberError $e) {
            return $default;
        }
    }

    public static function set(string $key, mixed $value): void
    {
        try {
            $fiber = Fiber::getCurrent();
            if ($fiber === null) {
                return;
            }
            $id = spl_object_id($fiber);

            if (!isset(self::$storage[$id])) {
                self::$storage[$id] = [];
            }

            self::$storage[$id][$key] = $value;
        } catch (FiberError $e) {
            // Handle the error appropriately, e.g., log it or throw an exception
        }
    }

    public static function delete(string $key): void
    {
        try {
            $fiber = Fiber::getCurrent();
            if ($fiber === null) {
                return;
            }
             $id = spl_object_id($fiber);

            if (isset(self::$storage[$id][$key])) {
                unset(self::$storage[$id][$key]);
            }
        } catch (FiberError $e) {
            // Handle the error appropriately, e.g., log it or throw an exception
        }
    }

    public static function clear(): void
    {
        try {
            $fiber = Fiber::getCurrent();
            if ($fiber === null) {
                return;
            }
            $id = spl_object_id($fiber);

            unset(self::$storage[$id]);
        } catch (FiberError $e) {
            // Handle the error appropriately, e.g., log it or throw an exception
        }
    }

}

// 使用示例
$wg = new WaitGroup();
$wg->add(2);

Coroutine::create(function () use ($wg) {
    FiberLocalStorage::set('user_id', 456);
    Coroutine::sleep(0.1); // 模拟一些耗时操作
    echo "Coroutine 1: user_id = " . FiberLocalStorage::get('user_id') . PHP_EOL; // 输出 456
    $wg->done();
});

Coroutine::create(function () use ($wg) {
    Coroutine::sleep(0.05); // 确保 Coroutine 1 先执行
    echo "Coroutine 2: user_id = " . FiberLocalStorage::get('user_id', 'N/A') . PHP_EOL; // 输出 N/A
    $wg->done();
});

$wg->wait();

代码解释：

FiberLocalStorage 类封装了 CLS 的操作。
$storage 静态数组用于存储每个 Fiber 的数据。键是Fiber对象的ID, 值是该Fiber存储的数据的关联数组
Fiber::getCurrent() 获取当前 Fiber 实例。
spl_object_id() 获取Fiber对象的唯一ID
其他方法与基于 Zval 弱引用的实现类似。

Fiber 局部变量的优势：

更加高效，因为直接操作 Fiber 实例的局部变量，避免了全局数组的访问开销。
更加简洁，不需要手动管理协程 ID 和数据之间的关系。
更好地隔离性，每个 Fiber 实例都拥有自己独立的变量空间。

Fiber 局部变量的劣势：

只能在 PHP 8.1 及以上版本中使用。

4. CLS 的应用场景

CLS 在协程编程中有很多实际的应用场景，下面列举几个常见的例子：

用户会话管理： 在处理 Web 请求时，可以使用 CLS 来存储用户的会话信息，例如用户 ID、用户名等。这样，每个请求都可以在自己的协程中访问用户的会话信息，而不用担心被其他请求干扰。
数据库连接管理： 可以使用 CLS 来存储数据库连接，每个协程拥有自己的数据库连接，避免了多个协程共享同一个连接带来的并发问题。
日志上下文管理： 可以使用 CLS 来存储日志上下文信息，例如请求 ID、跟踪 ID 等。这样，每个日志消息都可以包含当前协程的上下文信息，方便问题排查。
事务管理： 在需要进行事务处理的场景中，可以使用 CLS 来存储事务状态，例如事务 ID、是否已提交等。这样，每个协程都可以独立地管理自己的事务，避免了事务之间的干扰。

5. 总结和建议

CLS 是协程编程中一项重要的技术，它可以有效地隔离协程数据，避免数据污染和并发问题。在选择 CLS 实现方式时，需要根据实际情况进行权衡。如果你的项目使用 PHP 8.1 及以上版本，建议使用基于 Fiber 局部变量的实现方式，因为它更加高效和简洁。否则，可以使用基于 Zval 弱引用的实现方式，但需要注意手动管理协程 ID 和数据之间的关系。无论选择哪种方式，都要确保 CLS 的正确使用，避免出现意外的错误。

6. 选择合适的方法

特性	Zval 弱引用	Fiber 局部变量
兼容性	PHP 7.0+ (依赖 Swoole)	PHP 8.1+
性能	相对较低 (全局数组访问)	较高 (直接操作 Fiber 属性)
复杂性	中等 (需要手动管理协程 ID)	简单
隔离性	良好 (通过协程 ID 隔离)	更好 (Fiber 实例独有变量)
依赖	Swoole 扩展	无
适用场景	需要兼容较低版本 PHP 的协程项目	使用 PHP 8.1+ 的协程项目

7. 使用时的注意事项

避免过度使用 CLS： CLS 并不是万能的，过度使用 CLS 会导致代码难以理解和维护。只在必要的时候才使用 CLS，例如需要隔离协程数据或管理协程上下文信息。
注意 CLS 的生命周期： CLS 的生命周期与协程的生命周期相同。当协程结束时，CLS 中的数据也会被自动回收。因此，需要在协程内部及时清理 CLS 中的数据，避免内存泄漏。
避免在 CLS 中存储过大的数据： 在 CLS 中存储过大的数据会影响程序的性能。尽量只在 CLS 中存储必要的数据，并将过大的数据存储在其他地方，例如共享内存或数据库。
进行充分的测试： 在使用 CLS 之前，需要进行充分的测试，确保 CLS 的正确性和可靠性。特别是当使用基于 Zval 弱引用的实现方式时，需要注意手动管理协程 ID 和数据之间的关系，避免出现错误。

希望今天的分享对大家有所帮助，谢谢！

PHP Coroutine Local Storage (CLS) 实现：利用Zval弱引用或Fiber局部变量的生命周期管理

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