Swoole 4.4 协程抢占式调度器详解

前言

Swoole内核团队开设的专栏，会逐渐投入精力写文章介绍Swoole的开发历程，实现原理，应用实践等，大家可以更好的交流，共同学习，建设PHP生态。

协程调度

去年Swoole推出了4.0版本后，完整的支持PHP协程，我们可以基于协程实现CSP编程，身边的开发者惊呼，原来PHP代码还可以这样写。Swoole的协程默认是基于IO调度，程序中有阻塞会自动让出当前协程，协程的各种优势我们不在这里展开讨论。如果是IO密集型的场景，可以表现得很不错。但是对于CPU密集型的场景，会导致一些协程因为得不到CPU时间片被饿死。

抢占式调度

我们在今年年初就计划实现Swoole的抢占式调度，以满足实现有些场景下的不均衡调度带来的问题。我们中间经历了几个版本，在这里和大家分享一下开发过程中的动机和解决办法。

我们目的是为了均衡调度每个协程的CPU时间，比如协程3需要比较长的执行时间，我们必须把协程3的CPU时间主动中断，而不依赖IO事件，使得每个协程得到平均的执行时间。

起初，我们的想法是可以从PHP的循环中自动检测执行实践，若达到限制，可以自动让出当前协程。因为毕竟很少有人一马平川的写出占用很多CPU的代码，大都通过循环条件来控制。我们hook循环指令，每次执行循环指令的时候，都来检查协程的执行时间，我们很欣喜的得到了最初的版本。但是这样做比较hack，而且opcode经过opcache优化后，情况会变得有些复杂。

后来我们使用PHP的ticks机制，也就是在PHP代码编译期间，注入ticks指令，可以执行相应的函数，我们可以在这些函数中检测处理协程的时间，达到抢占式的效果，但是这里有一个问题，PHP的declare(ticks=N)语法，只对当前脚本范围有效，也就是说项目稍微大点，require或者include进来的脚本，并不会自动注入ticks指令，这样Swoole开发者几乎是无法接受的。我们也试图给PHP官方提一个PR，可以在扩展层设置一个全局默认的ticks，但是官方不愿意采纳我们的提交，因为官方觉得这个功能对性能损耗比较大，而且有可能在PHP8移除这个功能。其实经过实测这个性能损耗并不大，而且我们已经在生产环境验证，并取得了显著的效果，即可以让出某些CPU密集的逻辑部分，使得服务整个相应时间更加均衡。
下图是我们生产环境一个RPC接口的调用端统计数据对比，客户端等待超时时间为2s,超时则统计为错误。

左边一侧是没有抢占式调度，右侧是开了抢占式调度，可以发现，左侧总是会有偶尔超时情况，而经过优化之后，没有一个超时的请求，请求响应时间非常平滑，提升了服务的稳定性。

可以从上图看出，由于抢占式调度的加入，去除了请求耗时高的毛刺，使得平均请求时间变得更加平滑，稳定。

想要做抢占式调度，对于PHP来说，有两个途径

1. 单线程的PHP的执行流，通过执行指令做文章，可以在PHP执行流程中注入逻辑，以检查执行时间，再加上Swoole的协程能力，可以在不同的协程中切换，以达到抢占CPU的目的。
2. 考虑开线程，负责检查当前执行协程执行时间。

经过以上办法的尝试，注入指令的路数基本是无法得到官方的支持，我们只能另谋出路，多开一个线程，只负责检查当前协程。具体的做法是，利用PHP-7.1.0引入的VM interrupt机制，默认每隔5ms检查一下当前协程是否达到最大执行时间，默认为10ms，如果超过，则让出当前协程，达到被其他协程抢占的目的。

示例代码

需要Swoole 4.4或更高版本

<?php
ini_set("swoole.enable_preemptive_scheduler","1");
$start = microtime(1);
echo "start\n";
$flag = 1;

go(function () use (&$flag) {
    echo "coro 1 start to loop\n";
    $i = 0;
    for (;;) {
        if (!$flag) {
            break;
        }
        $i++;
    }
    echo "coro 1 can exit\n";
});
    
$end = microtime(1);
$msec = ($end - $start) * 1000;
echo "use time $msec\n";
go(function () use (&$flag) {
    echo "coro 2 set flag = false\n";
    $flag = false;
});
echo "end\n";

执行结果

start
coro 1 start to loop
use time 11.121988296509
coro 2 set flag = false
end
coro 1 can exit

可以发现，代码逻辑可以从第一个协程的死循环中自动yield出来,执行第二个协程，如果没有这个特性，第二个协程永远不会被执行，导致被饿死。而这样做，第二个协程可以顺利被执行，最后执行结束后，第一个协程也会接着继续往下执行。达到我们的第二个协程主动抢占第一个协程CPU的效果。

这个特性在生产环境非常有用，尤其是对于实时系统或者响应时间比较敏感的场景。

最后

感谢大家对 Swoole 的长期支持和关注。