基于swoole与php协程实现异步非阻塞IO

本文由neuSnail在segmentfault发表，未经允许严禁转载,原文地址https://segmentfault.com/a/11...

本文协程调度的实现参考了有赞的zanphp实现：http://zanphp.io/

自己写了一个简单的swoole+php协程的框架：https://github.com/neuSnail/Pcs
有兴趣的可以看看，很不成熟欢迎指教。

Pcs是我参考zanphp做的毕业设计，和zan不同的是zan自己写了一个zan拓展代替swoole来实现eventloop，eventchain等。而pcs选择继续使用swoole，使用异步swoole_task来实现异步，对比zan复杂度较低杂易于理解。

关于什么是协程以及php基于generator的协程是怎么实现的这里不做详细解释，不了解的同学可以参考laruence的这篇文章：http://www.laruence.com/2015/...

在许多文章中可以看到这样的描述：

“协程可以在遇到阻塞的时候中断主动让渡资源，调度程序选择其他的协程运行。从而实现非阻塞IO”
然而php是不支持原生协程的，遇到阻塞时如不交由异步进程来执行是没有任何意义的，代码还是同步执行的，如下所示：

function foo()
{
    $db=new Db();
    $result=(yield $db->query());
    yield $result;
}

上面的数据库查询操作是阻塞的，当调度器调度该协程到这一步时发现执行了阻塞操作，此时调度器该怎么办？选择其余协程执行？那该协程的阻塞操作又该何时执行，交由谁执行呢？所以说在php协程中抛开异步调用谈非阻塞IO属于耍流氓。
而swoole的异步task提供了一个实现异步的解决方案,关于swoole_task可以参考官方文档https://wiki.swoole.com/wiki/...

核心功能实现

将一次请求形成一个协程

首先创建一个swoole_server并设置回调

class HttpServer implements Server
{
    private $swooleHttpServer;

    public function __construct(\swoole_http_server $swooleHttpServer)
    {
        $this->swooleHttpServer = $swooleHttpServer;
    }

    public function start()
    {
        $this->swooleHttpServer->on('start', [$this, 'onStart']);
        $this->swooleHttpServer->on('shutdown', [$this, 'onShutdown']);

        $this->swooleHttpServer->on('workerStart', [$this, 'onWorkerStart']);
        $this->swooleHttpServer->on('workerStop', [$this, 'onWorkerStop']);
        $this->swooleHttpServer->on('workerError', [$this, 'onWorkerError']);
        $this->swooleHttpServer->on('task', [$this, 'onTask']);
        $this->swooleHttpServer->on('finish', [$this, 'onFinish']);


        $this->swooleHttpServer->on('request', [$this, 'onRequest']);

        $this->swooleHttpServer->start();
    }

onRequest方法：

 public function onRequest(\swoole_http_request $request, \swoole_http_response $response)
    {
        $requestHandler = new RequestHandler($request, $response);
        $requestHandler->handle();
    }

在ReqeustHandler中执行handle方法，来解析请求的路由，并创建控制器，调用相应的方法，相关实现这里不再赘述。

 public function handle()
    {
        $this->context = new Context($this->request, $this->response, $this->getFd());
        $this->router = new Router($this->request);

        try {
            if (false === $this->router->parse()) {
                $this->response->output('');
                return;
            }
            $coroutine = $this->doRun();
            $task = new Task($coroutine, $this->context);
            $task->run();
        } catch (\Exception $e) {
            PcsExceptionHandler::handle($e, $this->response);
        }
    }
    
 private function doRun()
    {
        $ret = (yield $this->dispatch());
        yield $this->response->send($ret);
    }

上面代码中的$coroutine就是一次请求封装成的协程，doRun方法中的$ret是$controller->$action()的调用结果，yield $this->response->send($ret);是向对客户端请求的应答。

$coroutine是这一次请求形成的一个协程（Genetator对象)，包含了整个请求的流程，接下来就要对这个协程进行调度来获取真正的执行结果。

协程调度

namespace Pcs\Coroutine;

use Pcs\Network\Context\Context;

class Task
{
    private $coroutine;
    private $context;
    private $status;
    private $scheduler;
    private $sendValue;

    public function __construct(\Generator $coroutine, Context $context)
    {
        $this->coroutine = $coroutine;
        $this->context = $context;
        $this->scheduler = new Scheduler($this);

    }

    public function run()
    {
        while (true) {
            try {
                $this->status = $this->scheduler->schedule();
                switch ($this->status) {
                    case TaskStatus::TASK_WAIT:
                        echo "task status: TASK_WAIT\n";
                        return null;

                    case TaskStatus::TASK_DONE:
                        echo "task status: TASK_DONE\n";
                        return null;

                    case TaskStatus::TASK_CONTINUE;
                        echo "task status: TASK_CONTINUE\n";
                        break;
                }

            } catch (\Exception $e) {
                $this->scheduler->throwException($e);
            }
        }
    }
    public function setCoroutine($coroutine)
    {
        $this->coroutine = $coroutine;
    }

    public function getCoroutine()
    {
        return $this->coroutine;
    }

    public function valid()
    {
        if ($this->coroutine->valid()) {
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }

    public function send($value)
    {
        $this->sendValue = $value;
        $ret = $this->coroutine->send($value);
        return $ret;
    }

    public function getSendVal()
    {
        return $this->sendValue;
    }
}

Task依赖于Generator对象$coroutine,在Task类中定义了一些get/set方法，以及一些Generator的方法，Task::run()方法用来执行对协程的调度，调度行为由Schedule来执行，每次调度都会返回当前这次调度的状态。laruence的文章以及大部分网上的资料都是多个协程共用一个调度器，而这里run方法会为每个协程创建一个调度器，原因是每个协程都是一个客户端的请求，使用一个单独的调度器能减少相互间的影响，而且多个协程之间的调度顺序是swoole来处理的，这里的调度器不用关心。下面给出调度的代码：

namespace Pcs\Coroutine;

class Scheduler
{
    private $task;
    private $stack;
    const SCHEDULE_CONTINUE = 10;

    public function __construct(Task $task)
    {
        $this->task = $task;
        $this->stack = new \SplStack();
    }
    
    public function schedule()
    {
        $coroutine = $this->task->getCoroutine();
        $value = $coroutine->current();

        $status = $this->handleSystemCall($value);
        if ($status !== self::SCHEDULE_CONTINUE) return $status;

        $status = $this->handleStackPush($value);
        if ($status !== self::SCHEDULE_CONTINUE) return $status;

        $status = $this->handleAsyncJob($value);
        if ($status !== self::SCHEDULE_CONTINUE) return $status;

        $status = $this->handelYieldValue($value);
        if ($status !== self::SCHEDULE_CONTINUE) return $status;

        $status = $this->handelStackPop();
        if ($status !== self::SCHEDULE_CONTINUE) return $status;


        return TaskStatus::TASK_DONE;
    }

    public function isStackEmpty()
    {
        return $this->stack->isEmpty();
    }

    private function handleSystemCall($value)
    {
        if (!$value instanceof SystemCall) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }
    }

    private function handleStackPush($value)
    {
        if (!$value instanceof \Generator) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $coroutine = $this->task->getCoroutine();
        $this->stack->push($coroutine);
        $this->task->setCoroutine($value);

        return TaskStatus::TASK_CONTINUE;
    }

    private function handleAsyncJob($value)
    {
        if (!is_subclass_of($value, Async::class)) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $value->execute([$this, 'asyncCallback']);

        return TaskStatus::TASK_WAIT;
    }

    public function asyncCallback($response, $exception = null)
    {
        if ($exception !== null
            && $exception instanceof \Exception
        ) {
            $this->throwException($exception, true);
        } else {
            $this->task->send($response);
            $this->task->run();
        }
    }

    private function handelYieldValue($value)
    {
        if (!$this->task->valid()) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $ret = $this->task->send($value);
        return TaskStatus::TASK_CONTINUE;
    }


    private function handelStackPop()
    {
        if ($this->isStackEmpty()) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $coroutine = $this->stack->pop();
        $this->task->setCoroutine($coroutine);

        $value = $this->task->getSendVal();
        $this->task->send($value);

        return TaskStatus::TASK_CONTINUE;
    }

    public function throwException($e, $isFirstCall = false)
    {
        if ($this->isStackEmpty()) {
            $this->task->getCoroutine()->throw($e);
            return;
        }

        try {
            if ($isFirstCall) {
                $coroutine = $this->task->getCoroutine();
            } else {
                $coroutine = $this->stack->pop();
            }

            $this->task->setCoroutine($coroutine);
            $coroutine->throw($e);

            $this->task->run();
        } catch (\Exception $e) {
            $this->throwException($e);
        }
    }
}

Scheduler中的schedule方法会获取当前Task的协程，并通过current()方法获取当前中断点的返回值，接着依次调用5个方法来对返回值进行处理。
1:handleSystemCall
如果返回的值是SystemCall类型的对象，则执行系统调用，如killTask之类的操作，systemCall是第一优先级。
2:handleStackPush
在A函数中调用B函数，则B函数称为A函数的子例程（子函数），然而在协程中却不能像普通函数那样调用。

function funcA()
{
    return funcB();
}

function genA()
{
    yield genB();
}

在funcA中funcB();会返回funcB的执行结果，但是在genA中，yield genB();会返回一个Generator对象，而不是genB的最终执行结果。想得到genB的执行结果需要对genB进行调度，而genB中又可能有genC()genD()的协程嵌套，所以为了让协程像函数一眼正常调用，这里使用协程栈来实现。

如上图，当调度器获取到GenA（父协程）的返回值is instance of Generator时，调度器会把父协程push到stack中，然后把子协程分配给Task，继续调度子协程。如此反复直到最后一个子协程返回，然后开始pop，将stack中的协程依次取出，接下来会在handleStackPop里详细说明。
3:handleAsyncJob
handleAsyncJob是整个协程调度的核心

private function handleAsyncJob($value)
    {
        if (!is_subclass_of($value, Async::class)) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $value->execute([$this, 'asyncCallback']);

        return TaskStatus::TASK_WAIT;
    }

    public function asyncCallback($response, $exception = null)
    {
        if ($exception !== null
            && $exception instanceof \Exception
        ) {
            $this->throwException($exception, true);
        } else {
            $this->task->send($response);
            $this->task->run();
        }
    }

当协程调度的返回值是继承了Async的子类或者是实现了Asycn接口的实例的时候，会执行Async的execute方法。这里用mysqli数据库查询类举例。

    public function execute(callable $callback)
    {
        $this->callback = $callback;
        $serv = ServerHolder::getServer();
        $serv->task($this->sql, -1, [$this, 'queryReady']);

    }

    public function queryReady(\swoole_http_server $serv, $task_id, $data)
    {
        $queryResult = unserialize($data);
        $exception = null;
        if ($queryResult->errno != 0) {

            $exception = new \Exception($queryResult->error);
        }
        call_user_func_array($this->callback, [$queryResult, $exception]);
    }

execute方法接收一个函数作为该异步操作完成之后的回调函数，在Mysqli类中的execute方法中，启动了一个异步swoole_task，将sql操作交给swoole_task异步执行，在执行结束后会执行queryReady方法，该方法在解析异步返回数据之后执行$this->callback()也就是之前在调度器中传入的 asyncCallback方法，该方法在检测异常之后会执行send()方法将异步执行的结果发送到中断处，继续执行。
handleAsyncJob不会等待异步操作的返回结果，而是直接返回TASK_WAIT信号，回到上面的Task->run()方法可以看到TASK_WAIT信号会导致run()方法返回null,释放当前worker,调度流程图如下图所示，（segmentfault不支持图片缩放也不支持html语法是真的难受）

4:handleYieldValue

private function handelYieldValue($value)
    {
        if (!$this->task->valid()) {
            return self::SCHEDULE_CONTINUE;
        }

        $ret = $this->task->send($value);
        return TaskStatus::TASK_CONTINUE;
    }

如果某次yield的返回值既不是异步调用也不是Generator，那么判断当前的generator是否是valid(是否执行完）如果执行完毕，继续调度，执行下面的handleStackPush方法，否则的话返回Task_Continue继续调度，也就是说在一个generator中多次yield，最后只会取最后一次yield的返回值。
5:handleStackPush
当上一步中判断!$this->task->valid()也就是当前生成器执行完毕的时候，会执行本方法来控制之前的协程stack进行pop操作,首先检查Stac是否是非空，非空的话pop出一个父协程，并将当前协程的返回值send()到父协程中断出继续执行。

协程优势在哪里

当一次请求遇到IO的时候，同步操作会导致当前请求阻塞在IO处等待IO返回，体现在swoole上就是一个请求一直占用一个worker。

但是当使用了协程调度之后，用户可以在阻塞的地方通过yield手动中断，交由swoole_task去异步操作，同时释放worker占用来处理其他请求。
当异步处理执行结束后再继续调度。

注意php的协程只负责中断，异步操作是Swoole_task做的

基于swoole与php协程实现异步非阻塞IO

核心功能实现

协程优势在哪里

neuSnail

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