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PHP HTTP/2的服务器推送（Server Push）：在用户态实现流控制与优先级机制

PHP HTTP/2 的服务器推送：用户态实现流控制与优先级机制

各位听众，大家好！今天我们来深入探讨一个在现代Web开发中至关重要的技术：HTTP/2 的服务器推送（Server Push），以及如何在 PHP 用户态实现流控制与优先级机制。服务器推送是 HTTP/2 协议的一项强大特性，它允许服务器在客户端主动请求资源之前，将资源“推送”给客户端，从而显著提高页面加载速度和用户体验。

HTTP/2 服务器推送的基础

HTTP/2 相较于 HTTP/1.1 最大的改进之一就是引入了多路复用。这意味着可以在同一个 TCP 连接上并行传输多个请求和响应，避免了队头阻塞的问题。服务器推送正是建立在多路复用基础上的。

原理：

  1. 客户端发起一个 HTTP 请求，例如请求 index.html。
  2. 服务器在响应 index.html 的同时，可以主动推送与该页面相关的资源，例如 CSS 文件、JavaScript 文件、图片等。
  3. 客户端接收到这些推送的资源后，会将其存储在缓存中。
  4. 当客户端解析 index.html，发现需要这些资源时，直接从缓存中获取，而无需再次发起请求。

优势：

  • 减少 RTT (Round-Trip Time)： 避免了客户端发现需要资源后再发起请求的往返时间。
  • 提高页面加载速度： 并行加载资源，减少了页面渲染时间。
  • 优化资源利用率： 避免了客户端重复请求资源。

服务器推送的实现方式：

HTTP/2 定义了 PUSH_PROMISE 帧，用于通知客户端即将推送的资源。服务器通过发送 PUSH_PROMISE 帧，然后紧接着发送相应的资源数据帧来实现服务器推送。

PHP 用户态实现服务器推送的挑战

虽然服务器推送的概念很简单，但在 PHP 用户态实现却面临一些挑战：

  1. 流控制 (Flow Control)： HTTP/2 定义了流控制机制，用于防止发送方淹没接收方。服务器推送需要遵守流控制规则，避免发送过多的数据导致连接拥塞。
  2. 优先级 (Prioritization)： HTTP/2 允许客户端为每个流设置优先级，服务器应该根据优先级来调度资源的发送顺序。服务器推送的资源也应该遵守客户端设置的优先级。
  3. 资源管理： 需要有效地管理推送的资源，避免推送不必要的资源，浪费带宽。
  4. 与Web服务器集成： 需要与现有的Web服务器（如 Nginx、Apache）集成，才能实现服务器推送功能。
  5. 事件驱动模型: PHP 通常采用事件驱动模型，需要一种非阻塞的方式来处理推送操作，避免阻塞主进程。

用户态流控制的实现

HTTP/2 的流控制基于窗口大小 (Window Size) 的概念。每个流都有一个发送窗口和一个接收窗口。发送方只有在发送窗口足够大的情况下才能发送数据。接收方通过 WINDOW_UPDATE 帧来增加发送方的发送窗口。

在 PHP 用户态实现流控制，我们需要维护每个流的发送窗口大小，并根据接收方发送的 WINDOW_UPDATE 帧来更新窗口大小。

实现步骤：

  1. 维护发送窗口： 为每个推送的流维护一个发送窗口大小。初始值通常是连接级别的初始窗口大小。
  2. 发送数据前检查窗口： 在发送数据之前，检查当前流的发送窗口是否足够大。如果不够大，则需要等待接收方发送 WINDOW_UPDATE 帧。
  3. 处理 WINDOW_UPDATE 帧： 接收到 WINDOW_UPDATE 帧后，更新对应流的发送窗口大小。
  4. 连接级别流控制： 除了流级别的流控制，还需要处理连接级别的流控制。连接级别的流控制限制了所有流的总发送窗口大小。

示例代码 (简化版)：

<?php

class Http2Stream {
    private $streamId;
    private $sendWindowSize;
    private $initialWindowSize;
    private $connection;

    public function __construct(Http2Connection $connection, int $streamId, int $initialWindowSize) {
        $this->streamId = $streamId;
        $this->sendWindowSize = $initialWindowSize;
        $this->initialWindowSize = $initialWindowSize;
        $this->connection = $connection;
    }

    public function sendData(string $data) {
        $dataLength = strlen($data);

        if ($this->sendWindowSize < $dataLength) {
            // 窗口不足，需要等待 WINDOW_UPDATE 帧
            // 这里可以采用协程或者事件循环来实现非阻塞等待
            echo "Stream {$this->streamId}: Waiting for WINDOW_UPDATEn";
            return false; // 或者抛出异常
        }

        // 发送数据
        $this->connection->sendFrame($this->streamId, HTTP2_FRAME_TYPE_DATA, 0, $data);
        $this->sendWindowSize -= $dataLength;
        echo "Stream {$this->streamId}: Sent {$dataLength} bytes, remaining window: {$this->sendWindowSize}n";
        return true;
    }

    public function receiveWindowUpdate(int $increment) {
        $this->sendWindowSize += $increment;
        echo "Stream {$this->streamId}: Received WINDOW_UPDATE, incrementing window by {$increment}, new window: {$this->sendWindowSize}n";
    }

    public function getStreamId(): int {
        return $this->streamId;
    }
}

class Http2Connection {
    private $socket;
    private $streams = [];
    private $connectionSendWindowSize;
    private $initialWindowSize;

    public function __construct($socket, int $initialWindowSize = 65535) {
        $this->socket = $socket;
        $this->connectionSendWindowSize = $initialWindowSize;
        $this->initialWindowSize = $initialWindowSize;
    }

    public function createStream(int $streamId): Http2Stream {
        $stream = new Http2Stream($this, $streamId, $this->initialWindowSize);
        $this->streams[$streamId] = $stream;
        return $stream;
    }

    public function getStream(int $streamId): ?Http2Stream {
        return $this->streams[$streamId] ?? null;
    }

    public function sendFrame(int $streamId, int $frameType, int $flags, string $payload) {
        // 构造 HTTP/2 Frame
        $length = strlen($payload);
        $header = pack('NnCA*', $length >> 8, $length & 0xFF, $frameType, $flags, $streamId); //简化的头部打包
        $frame = $header . $payload;

        // 发送数据到 socket
        fwrite($this->socket, $frame);
    }

    public function receiveFrame(): ?array {
        // 从 socket 读取 HTTP/2 Frame
        $header = fread($this->socket, 9);
        if ($header === false || strlen($header) !== 9) {
            return null; // 连接关闭或者读取错误
        }
        $unpacked = unpack('Nlength/n/Ctype/Cflags/NstreamId', "" . $header);  // 添加一个空字节保证N总是4字节
        $length = ($unpacked['length'] & 0xFFFFFF); //取出低24位
        $frameType = $unpacked['type'];
        $flags = $unpacked['flags'];
        $streamId = $unpacked['streamId'];
        $payload = fread($this->socket, $length);

        return ['streamId' => $streamId, 'frameType' => $frameType, 'flags' => $flags, 'payload' => $payload];
    }

    public function handleFrame(array $frame) {
        $streamId = $frame['streamId'];
        $frameType = $frame['frameType'];
        $payload = $frame['payload'];

        if ($frameType === HTTP2_FRAME_TYPE_WINDOW_UPDATE) {
            $increment = unpack('Nincrement', $payload)['increment'];
            $stream = $this->getStream($streamId);
            if ($stream) {
                $stream->receiveWindowUpdate($increment);
            } else {
                // 处理连接级别的 WINDOW_UPDATE
                $this->connectionSendWindowSize += $increment;
                echo "Connection: Received WINDOW_UPDATE, incrementing window by {$increment}, new window: {$this->connectionSendWindowSize}n";
            }
        }  //可以添加其他的帧类型处理
    }

    public function getConnectionSendWindowSize(): int {
        return $this->connectionSendWindowSize;
    }

}

define('HTTP2_FRAME_TYPE_DATA', 0x0);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_HEADERS', 0x1);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_PRIORITY', 0x2);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_RST_STREAM', 0x3);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_SETTINGS', 0x4);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_PUSH_PROMISE', 0x5);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_PING', 0x6);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_GOAWAY', 0x7);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_WINDOW_UPDATE', 0x8);
define('HTTP2_FRAME_TYPE_CONTINUATION', 0x9);

// 示例用法
$socket = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
if (!$socket) {
    die("Could not create socket: $errstr ($errno)n");
}

while ($conn = stream_socket_accept($socket, -1)) {
    $connection = new Http2Connection($conn);

    // 创建一个流
    $stream1 = $connection->createStream(1);

    // 模拟发送数据
    $data1 = str_repeat("A", 1024);
    $stream1->sendData($data1);

    // 模拟接收 WINDOW_UPDATE 帧
    $frame = ['streamId' => 1, 'frameType' => HTTP2_FRAME_TYPE_WINDOW_UPDATE, 'flags' => 0, 'payload' => pack('N', 2048)];
    $connection->handleFrame($frame);

    // 再次发送数据
    $stream1->sendData($data1);

    fclose($conn);
    break; // 处理一个连接后退出，方便测试
}

fclose($socket);

?>

注意： 这只是一个简化版的示例，实际实现需要考虑更多细节，例如：

  • 错误处理
  • 连接关闭
  • 并发处理
  • 更复杂的流控制逻辑

用户态优先级机制的实现

HTTP/2 允许客户端为每个流设置优先级。优先级信息包含在 PRIORITY 帧中。服务器应该根据客户端设置的优先级来调度资源的发送顺序，确保高优先级的资源优先发送。

优先级参数：

  • 依赖流 ID (Stream Dependency)： 指定当前流依赖于哪个流。
  • 权重 (Weight)： 指定当前流相对于其依赖流的权重。
  • 排他性 (Exclusive Flag)： 如果设置了排他性标志，则当前流是其依赖流的唯一子流。

实现步骤：

  1. 解析 PRIORITY 帧： 接收到 PRIORITY 帧后，解析优先级信息。
  2. 维护优先级树： 根据依赖流 ID 构建一个优先级树。
  3. 调度资源发送： 在发送资源时，根据优先级树来选择下一个要发送的资源。

示例代码 (简化版)：

<?php

// 假设我们已经有了 Http2Stream 和 Http2Connection 类

class PriorityNode {
    public $streamId;
    public $weight;
    public $exclusive;
    public $children = [];

    public function __construct(int $streamId, int $weight, bool $exclusive) {
        $this->streamId = $streamId;
        $this->weight = $weight;
        $this->exclusive = $exclusive;
    }
}

class PriorityTree {
    private $root;
    private $nodes = [];

    public function __construct() {
        $this->root = new PriorityNode(0, 16, false); // 根节点 streamId 为 0
        $this->nodes[0] = $this->root;
    }

    public function addStream(int $streamId, int $dependency, int $weight, bool $exclusive) {
        $node = new PriorityNode($streamId, $weight, $exclusive);
        $this->nodes[$streamId] = $node;

        if (!isset($this->nodes[$dependency])) {
            // 如果依赖流不存在，则添加到根节点
            $dependency = 0;
        }

        $parent = $this->nodes[$dependency];

        if ($exclusive) {
            // 如果是排他性的，则将父节点的所有子节点都移动到当前节点下
            $node->children = $parent->children;
            $parent->children = [$node];
        } else {
            $parent->children[] = $node;
        }
    }

    public function getNextStream(): ?int {
        // 简单的轮询算法，实际应用中可以采用更复杂的调度算法
        // 深度优先遍历，优先选择权重高的节点
        return $this->getNextStreamRecursive($this->root);
    }

    private function getNextStreamRecursive(PriorityNode $node): ?int {
        if (empty($node->children)) {
            // 如果没有子节点，则返回当前节点的 streamId (除非是根节点)
            return ($node->streamId !== 0) ? $node->streamId : null;
        }

        // 按照权重排序子节点
        usort($node->children, function (PriorityNode $a, PriorityNode $b) {
            return $b->weight <=> $a->weight;
        });

        foreach ($node->children as $child) {
            $streamId = $this->getNextStreamRecursive($child);
            if ($streamId !== null) {
                return $streamId;
            }
        }

        return null; // 没有找到可发送的流
    }

    public function handlePriorityFrame(int $streamId, int $dependency, int $weight, bool $exclusive) {
        $this->addStream($streamId, $dependency, $weight, $exclusive);
    }

}

// 示例用法 (需要包含 Http2Stream 和 Http2Connection 的定义)
// 假设我们已经建立了 Http2Connection

$socket = stream_socket_server("tcp://127.0.0.1:8080", $errno, $errstr);
if (!$socket) {
    die("Could not create socket: $errstr ($errno)n");
}

while ($conn = stream_socket_accept($socket, -1)) {
    $connection = new Http2Connection($conn);
    $priorityTree = new PriorityTree();

    // 创建一些流
    $stream1 = $connection->createStream(1);
    $stream2 = $connection->createStream(2);
    $stream3 = $connection->createStream(3);

    // 设置优先级
    $priorityTree->handlePriorityFrame(2, 1, 20, false); // Stream 2 依赖于 Stream 1, 权重 20
    $priorityTree->handlePriorityFrame(3, 1, 10, false); // Stream 3 依赖于 Stream 1, 权重 10

    // 模拟发送数据
    echo "Sending data based on priority:n";
    for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
        $nextStreamId = $priorityTree->getNextStream();
        if ($nextStreamId) {
            $stream = $connection->getStream($nextStreamId);
            $data = "Data for stream {$nextStreamId}n";
            $stream->sendData($data); // 发送数据
        } else {
            echo "No stream available to send data.n";
            break;
        }
    }

    fclose($conn);
    break; // 处理一个连接后退出，方便测试
}

fclose($socket);

?>

注意：

  • 优先级调度算法可以根据实际情况进行调整，例如可以采用加权公平队列 (Weighted Fair Queueing) 等算法。
  • 需要考虑优先级变化的动态性，客户端可以随时发送 PRIORITY 帧来更新优先级信息。

与 Web 服务器集成

要实现真正的服务器推送，需要与现有的 Web 服务器集成。一种方式是使用 Web 服务器提供的 API 或模块来实现服务器推送功能。例如，Nginx 提供了 http2_push 指令，可以用来配置服务器推送。

另一种方式是在 PHP 用户态实现一个 HTTP/2 服务器，然后将 Web 服务器作为反向代理。这种方式更加灵活，但实现难度也更高。

示例 (使用 Nginx 的 http2_push 指令)：

server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name example.com;

    ssl_certificate /path/to/certificate.pem;
    ssl_certificate_key /path/to/key.pem;

    root /var/www/example.com;
    index index.php index.html;

    location / {
        try_files $uri $uri/ /index.php?$args;
    }

    location ~ .php$ {
        include snippets/fastcgi-php.conf;
        fastcgi_pass unix:/run/php/php7.4-fpm.sock;

        # 启用服务器推送
        http2_push /style.css;
        http2_push /script.js;
        http2_push /image.png;
    }
}

在这个例子中，当客户端请求 PHP 文件时，Nginx 会自动推送 /style.css、/script.js 和 /image.png 这些资源。

资源管理与策略

服务器推送并非越多越好。推送过多的资源会导致带宽浪费，反而降低性能。因此，需要制定合理的资源管理与推送策略。

资源管理策略：

  • 只推送必要的资源： 只推送与当前页面相关的资源，避免推送不必要的资源。
  • 考虑缓存策略： 只有在客户端没有缓存的情况下才推送资源。
  • 动态推送： 根据用户行为或设备类型动态调整推送的资源。

推送策略：

  • 预测推送： 预测客户端接下来可能需要的资源，并提前推送。
  • 延迟推送： 在页面加载完成后再推送一些次要资源。
  • 基于优先级的推送： 根据资源的优先级来决定是否推送。

总结概括

这篇文章深入探讨了 PHP 用户态实现 HTTP/2 服务器推送的挑战，重点介绍了流控制和优先级机制的实现方法。 通过用户态的流控制和优先级管理，可以更精细地控制服务器推送行为，优化资源利用率。最终实现更快的页面加载速度和更好的用户体验。

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