PHP 8.1 Fibers在Hyperf/Swoole中的应用：实现用户态的非阻塞I/O - 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

好的，我们开始。

PHP 8.1 Fibers 在 Hyperf/Swoole 中的应用：实现用户态的非阻塞 I/O

大家好，今天我们来聊聊 PHP 8.1 中引入的 Fibers 特性，以及它如何在 Hyperf/Swoole 框架中被应用，以实现用户态的非阻塞 I/O。我们将会深入探讨 Fibers 的工作原理，以及如何在实际项目中利用它提升应用的并发性能。

1. 阻塞 I/O 的困境

在传统的 PHP 开发中，I/O 操作（例如网络请求、文件读取、数据库查询）通常是阻塞的。这意味着当一个请求发起后，PHP 进程会等待 I/O 操作完成，然后才能继续执行后续代码。在高并发场景下，大量的阻塞 I/O 操作会导致进程被大量阻塞，极大地降低了应用的吞吐量。

举个简单的例子：

<?php

function fetch_data($url) {
    $content = file_get_contents($url); // 阻塞 I/O
    return $content;
}

$url1 = 'https://example.com/api/data1';
$url2 = 'https://example.com/api/data2';

$data1 = fetch_data($url1);
$data2 = fetch_data($url2);

echo "Data 1: " . strlen($data1) . "n";
echo "Data 2: " . strlen($data2) . "n";

?>

在这个例子中，file_get_contents() 函数会阻塞进程，直到从指定的 URL 获取到数据。如果 example.com 服务器响应缓慢，整个脚本的执行时间将会被延长。

2. 协程与非阻塞 I/O

为了解决阻塞 I/O 的问题，协程 (Coroutine) 技术应运而生。协程是一种用户态的轻量级线程，它允许程序在执行过程中挂起和恢复执行，而无需操作系统的参与。通过将阻塞 I/O 操作转化为非阻塞 I/O 操作，并利用事件循环 (Event Loop) 机制，协程可以实现高效的并发。

Swoole 和 Hyperf 都是基于协程的 PHP 框架，它们通过封装底层的非阻塞 I/O 操作，简化了协程的使用。

3. PHP 8.1 Fibers：用户态协程的实现

PHP 8.1 引入了 Fibers，它提供了一种在用户态实现协程的方式。Fibers 允许开发者手动控制代码的执行流程，实现代码的挂起和恢复。

Fibers 的核心概念是：

Fiber: 代表一个可以被挂起和恢复的计算单元。
Fiber::suspend(): 挂起当前 Fiber 的执行。
Fiber::resume(): 恢复一个已挂起的 Fiber 的执行。
Fiber::throw(): 在 Fiber 中抛出一个异常。
Fiber::getCurrent(): 获取当前正在执行的 Fiber 实例。

下面是一个简单的 Fiber 示例：

<?php

$fiber = new Fiber(function (): void {
    echo "Before suspendn";
    $value = Fiber::suspend("Suspended");
    echo "After suspend: " . $value . "n";
});

echo "Starting fibern";
$result = $fiber->start();
echo "Fiber suspended with value: " . $result . "n";

echo "Resuming fiber with value: Hellon";
$fiber->resume("Hello");

echo "Donen";

?>

输出结果：

Starting fiber
Before suspend
Fiber suspended with value: Suspended
Resuming fiber with value: Hello
After suspend: Hello
Done

这个例子演示了 Fiber 的基本用法：创建一个 Fiber 对象，使用 start() 方法启动它，使用 suspend() 方法挂起它，使用 resume() 方法恢复它。

4. Fibers 与 Hyperf/Swoole 的结合

Hyperf 和 Swoole 已经内置了协程支持，但是 Fibers 的引入，为框架提供了更灵活的协程管理方式。框架可以利用 Fibers 来更好地调度协程，优化并发性能。

具体来说，Fibers 可以用于以下场景：

简化异步编程： Fibers 可以将异步回调式的代码转化为同步风格的代码，提高代码的可读性和可维护性。
自定义协程调度器： Fibers 允许开发者自定义协程调度器，根据实际需求优化协程的调度策略。
更细粒度的协程控制： Fibers 提供了更细粒度的协程控制，例如可以精确地控制协程的挂起和恢复时机。

5. 使用 Fibers 实现非阻塞 I/O

下面我们来看一个使用 Fibers 实现非阻塞 I/O 的例子。假设我们需要从多个 URL 并发地获取数据。

首先，我们需要一个非阻塞的 HTTP 客户端。在 Hyperf/Swoole 中，可以使用 Guzzle HTTP 客户端，并配置 Swoole Handler。

<?php

use GuzzleHttpClient;
use GuzzleHttpHandlerStack;
use HyperfEngineCoroutine; // 使用 HyperfEngineCoroutine 才能兼容Swoole
use SwooleCoroutineChannel;

// 模拟异步请求
function async_fetch_data(string $url, Channel $channel): void
{
    Coroutine::create(function () use ($url, $channel) {
        $client = new Client();
        $response = $client->get($url);
        $channel->push(['url' => $url, 'data' => $response->getBody()->getContents()]);
    });
}

$urls = [
    'https://example.com/api/data1',
    'https://example.com/api/data2',
    'https://example.org/api/data3',
];

$channel = new Channel(count($urls));

foreach ($urls as $url) {
    async_fetch_data($url, $channel);
}

$results = [];
for ($i = 0; $i < count($urls); ++$i) {
    $results[] = $channel->pop();
}

foreach ($results as $result) {
    echo "URL: " . $result['url'] . ", Length: " . strlen($result['data']) . "n";
}

在这个例子中，我们使用了 HyperfEngineCoroutine 创建协程，使用 GuzzleHttpClient 发起非阻塞的 HTTP 请求。每个请求都在一个单独的协程中执行，并通过 SwooleCoroutineChannel 将结果返回。

6. Fibers 的进阶应用：自定义协程调度器

Fibers 的一个强大之处在于，它允许开发者自定义协程调度器。这意味着我们可以根据实际需求，优化协程的调度策略。

例如，我们可以实现一个基于优先级的协程调度器，优先执行重要的任务。

<?php

use Fiber;
use SplPriorityQueue;

class PriorityScheduler
{
    private SplPriorityQueue $queue;

    public function __construct()
    {
        $this->queue = new SplPriorityQueue();
    }

    public function add(Fiber $fiber, int $priority): void
    {
        $this->queue->insert($fiber, $priority);
    }

    public function run(): void
    {
        while (!$this->queue->isEmpty()) {
            /** @var Fiber $fiber */
            $fiber = $this->queue->extract();
            if (!$fiber->isTerminated()) {
                $fiber->resume();
            }
        }
    }
}

// 示例
$scheduler = new PriorityScheduler();

$fiber1 = new Fiber(function () {
    echo "Fiber 1: Startn";
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber 1: Endn";
});

$fiber2 = new Fiber(function () {
    echo "Fiber 2: Startn";
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber 2: Endn";
});

$scheduler->add($fiber1, 1); // 优先级较低
$scheduler->add($fiber2, 2); // 优先级较高

$scheduler->run();

在这个例子中，我们创建了一个 PriorityScheduler 类，它使用 SplPriorityQueue 来存储协程，并根据优先级来调度协程的执行。优先级较高的协程会优先执行。

7. Fibers 的优势与局限性

优势：

更灵活的协程控制： Fibers 提供了更细粒度的协程控制，允许开发者手动控制协程的挂起和恢复时机。
简化异步编程： Fibers 可以将异步回调式的代码转化为同步风格的代码，提高代码的可读性和可维护性。
自定义协程调度器： Fibers 允许开发者自定义协程调度器，根据实际需求优化协程的调度策略。
减少上下文切换开销： 相对于线程，协程的上下文切换开销更小，可以提高并发性能。

局限性：

需要手动管理协程： Fibers 需要开发者手动管理协程的挂起和恢复，增加了编程的复杂度。
不适用于 CPU 密集型任务： Fibers 主要适用于 I/O 密集型任务，对于 CPU 密集型任务，多线程可能更适合。
可能存在阻塞风险： 如果在 Fiber 中执行了阻塞 I/O 操作，整个事件循环将会被阻塞。所以必须使用非阻塞I/O。

8. Fibers 在实际项目中的应用

Fibers 可以在各种实际项目中被应用，例如：

API 网关： 使用 Fibers 可以构建高性能的 API 网关，并发地处理大量的请求。
消息队列： 使用 Fibers 可以实现高效的消息队列消费者，并发地处理大量的消息。
实时通信： 使用 Fibers 可以构建高并发的实时通信服务器，例如 WebSocket 服务器。
微服务架构： 在微服务架构中，可以使用 Fibers 来提高服务之间的通信效率。

9. 使用Fibers需要注意的地方

必须在支持 Fiber 的 PHP 环境下运行（PHP 8.1 及以上）。
必须确保所有的 I/O 操作都是非阻塞的，否则会导致整个事件循环被阻塞。
需要仔细考虑协程的调度策略，避免出现死锁或饥饿等问题。
需要充分测试，确保代码的正确性和稳定性。

10. 代码示例：使用 Fiber 改进 HTTP 并发请求

以下代码示例展示了如何使用 Fiber 来改进 HTTP 并发请求，避免阻塞主进程。这个例子利用了 symfony/http-client ，确保其已经安装。

<?php

require 'vendor/autoload.php';

use Fiber;
use SymfonyComponentHttpClientHttpClient;
use SymfonyContractsHttpClientHttpClientInterface;

function fetchUrl(HttpClientInterface $client, string $url): string
{
    $fiber = Fiber::getCurrent();
    $response = $client->request('GET', $url);

    // 使用回调函数处理响应
    $response->getStatusCode(); // 触发请求，但不会阻塞
    $response->getContent(); // 触发请求，但不会阻塞

    while ($response->getInfo('http_code') === 0.0) {
        // 检查是否完成
        Fiber::suspend(); // 挂起 Fiber，等待响应
    }

    return $response->getContent();
}

$urls = [
    'https://example.com',
    'https://www.php.net',
    'https://www.google.com',
];

$client = HttpClient::create();
$results = [];

foreach ($urls as $url) {
    $fiber = new Fiber(function () use ($client, $url, &$results) {
        $results[$url] = fetchUrl($client, $url);
    });
    $fiber->start();
}

// 事件循环，模拟 Swoole/Hyperf 的事件循环
while (count($results) < count($urls)) {
    foreach ($urls as $url) {
        if (!isset($results[$url])) {
            // 遍历所有Fiber，resume 继续执行
            foreach (Fiber::getAll() as $fiber) {
                if (!$fiber->isTerminated() && $fiber->isSuspended()) {
                    $fiber->resume();
                }
            }
        }
    }
    usleep(1000); // 模拟事件循环的间隔
}

// 输出结果
foreach ($results as $url => $content) {
    echo "URL: $url, Length: " . strlen($content) . "n";
}

这个例子展示了如何使用 Fiber 配合 symfony/http-client 组件实现简单的并发请求。关键点在于：

fetchUrl 函数中使用了 Fiber::suspend() 来挂起 Fiber，等待 HTTP 响应。
事件循环负责遍历所有 Fiber，并 resume 那些处于挂起状态的 Fiber。

Fibers 的应用带来高性能并发

Fibers 的引入为 PHP 带来了用户态协程的能力，结合 Hyperf/Swoole 框架，可以实现高性能的并发应用。通过将阻塞 I/O 操作转化为非阻塞 I/O 操作，并利用 Fibers 进行协程调度，可以极大地提高应用的吞吐量和响应速度。

灵活的协程控制，助力应用性能提升

Fibers 提供了更灵活的协程控制方式，允许开发者自定义协程调度器，并优化协程的调度策略。在实际项目中，可以根据实际需求，选择合适的协程调度策略，并利用 Fibers 来实现高性能的并发应用。

PHP 8.1 Fibers 在 Hyperf/Swoole 中的应用：实现用户态的非阻塞 I/O

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