这篇 blog 折腾了很久才写出来, 问题主要还是在 理解 上. 有时候就是这样,

理解了之后就很简单, 不理解就很难; 知道了就很简单, 不知道往往就很难. 所以 stay hungry stay foolish stay young 真的很重要

本来计划开发 swoft 框架 中的 Process 模块, 所以需要对 swoole 的 Process 模块要有比较深入的了解才行. 不过根据 swoole 官方 wiki 的实践过程中, 一直有未理解的部分. 之前虽然也做过多次 多进程编程, 但是当真正需要进行框架开发的时候, 就会发现以前学到的知识不够全面, 无法指导整体的设计. 好在一直在坚持, 奉上现在理解的程度.

内容一览:

• 进程相关基础操作: fork/exit/kill/wait
• 进程相关高级操作: 主进程退出子进程干完活后也退出; 子进程异常退出主进程自动重启
• 进程间通信(IPC) - 管道(pipe)
• 进程间通信(IPC) - 消息队列(message queue)
• swoole process 模块提供的更多功能

进程相关基础操作

进程是什么: 进程是运行者的程序

先来看看一个最简单的例子:

<?php
echo posix_getpid(); // 获取当前进程的 pid
swoole_set_process_name('swoole process master'); // 修改所在进程的进程名
sleep(100); // 模拟一个持续运行 100s 的程序, 这样就可以在进程中查看到它, 而不是运行完了就结束

通过 ps aux 查看进程:

再来看看 swoole 中使用子进程的基础操作:

use Swoole\Process;

$process = new Process(function (Process $worker) {
    if (Process::kill($worker->pid, 0)) { // kill操作常用来杀死进程, 传入 0 可以用来检测进程是否存在
        $worker->exit(); // 退出子进程
    }
});
$process->start(); // 启动子进程
Process::wait(); // 回收退出的子进程

• new Process(): 通过回调函数来设置子进程将要执行的逻辑
• $process->start(): 调用 fork() 系统调用, 来生成子进程
• Process::kill(): kill操作给进程发送信号, 常用来杀死进程, 传入 0 可以用来检测进程是否存在
• Process::wait(): 调用 wait() 系统调用, 回收子进程, 如果不回收, 子进程会编程 僵尸进程, 浪费系统资源
• $worker->exit(): 子进程主动退出

我在这里有一个疑问:

主进程的生命周期是怎么样的? 子进程的生命周期是怎么样的?

有这样一个疑问也来自于我之前的思维惯性: 理解一个事物时从事物的生命周期进行理解. 结合 进程是运行着的程序 来一起理解:

• new Process(): 只有回调函数的逻辑会在进程中执行
• 除此之外的代码都是在主进程中执行

进程相关高级操作

• 主进程退出子进程干完活后也退出
• 子进程异常退出主进程自动重启

<?php

use Swoole\Process;

class MyProcess1
{
    public $mpid = 0; // master pid, 即当前程序的进程ID
    public $works = []; // 记录子进程的 pid
    public $maxProcessNum = 1;
    public $newIndex = 0;

    public function __construct()
    {
        try {
            swoole_set_process_name(__CLASS__. ' : master');
            $this->mpid = posix_getpid();
            $this->run();
            $this->processWait();
        } catch (\Exception $e) {
            die('Error: '. $e->getMessage());
        }
    }

    public function run()
    {
        for ($i=0; $i<$this->maxProcessNum; $i++) {
            $this->createProcess();
        }
    }

    public function createProcess($index = null)
    {
        if (is_null($index)) {
            $index = $this->newIndex;
            $this->newIndex++;
        }
        $process = new Process(function (Process $worker) use($index) { // 子进程创建后需要执行的函数
            swoole_set_process_name(__CLASS__. ": worker $index");
            for ($j=0; $j<3; $j++) { // 模拟子进程执行耗时任务
                $this->checkMpid($worker);
                echo "msg: {$j}\n";
                sleep(1);
            }
        }, false, false); // 不重定向输入输出; 不使用管道
        $pid = $process->start();
        $this->works[$index] = $pid;
        return $pid;
    }

    // 主进程异常退出, 子进程工作完后退出
    public function checkMpid(Process $worker) // demo中使用的引用, 引用表示传的参数可以被改变, 由于传入 $worker 是 \Swoole\Process 对象, 所以不用使用 &
    {
        if (!Process::kill($this->mpid, 0)) { // 0 可以用来检测进程是否存在
            $worker->exit();
            $msg = "master process exited, worker {$worker->pid} also quit\n"; // 需要写入到日志中
            file_put_contents('process.log', $msg, FILE_APPEND); // todo: 这句话没有执行
        }
    }

    // 重启子进程
    public function rebootProcess($pid)
    {
        $index = array_search($pid, $this->works);
        if ($index !== false) {
            $newPid = $this->createProcess($index);
            echo "rebootProcess: {$index}={$pid}->{$newPid} Done\n";
            return;
        }
        throw new \Exception("rebootProcess error: no pid {$pid}");
    }

    // 自动重启子进程
    public function processWait()
    {
        while (1) {
            if (count($this->works)) {
                $ret = Process::wait(); // 子进程退出
                if ($ret) {
                    $this->rebootProcess($ret['pid']);
                }
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

new MyProcess1();

说明以下几点:

• 子进程运行结束后就会退出, 通过 Process::wait() 检测到子进程退出信号执行自动重启, 子进程就会一直执行下去
• 关于函数参数传 引用/指针, 一个很好的理解方式是: 参数可以被修改

运行并模拟主进程异常退出:

进程间通信(IPC) - 管道(pipe)

管道的几个关键词:

• 半双工: 数据单向流动, 一端只读, 一端只写.
• 同步 vs 异步: 默认为同步阻塞模式, 可以使用 swoole_event_add() 添加管道到 swoole 的 event loop 中, 实现异步IO
• 管道类型(数据格式): SOCK_STREAM, 流式, 需要用户自己处理数据的封包/解包; SOCK_DGRAM, 数据报, 每次收发都是一次完整的数据包 (DGRAM/STREAM)

注意, swoole wiki - process->write() 中提到 SOCK_DGRAM 并不会乱序丢包

先来看一个简单的例子, php从shell管道中读取数据:

// get pip data
$fp = fopen('php://stdin', 'r');
if ($fp) {
    while ($line = fgets($fp, 4096)) {
        echo "php get pip data: ". $line;
    }
    fclose($fp);
}

swoole process中的管道很强大, 支持 子进程写, 主进程读 以及 主进程写, 子进程读:

use Swoole\Process;

// 子进程写, 父进程读
$process = new Process(function (Process $worker) {
    $worker->write("worker");
});
$process->start();
$msg = $process->read();
echo "from process: $msg", "\n";

// 父进程写, 子进程读
$process = new Process(function (Process $worker) {
    $msg = $worker->read();
    echo "from master: $msg", "\n";
});
$process->start();
$process->write('master');

注意区分 $worker->write() 和 $process->write(), 之前一直错误的以为这 2 个是相同的, 其实就是把 $process 误以为是子进程, 从而相当于 $process->write() 就是子进程写管道 -- 其实这里是主进程内执行的逻辑, 是主进程写数据到管道, 供子进程读取

swoole中其他管道相关操作:

• 异步IO

use Swoole\Process;
use Swoole\Event;

// 异步IO
$process = new Process(function (Process $worker) {
    $GLOBALS['worker'] = $worker;
    Event::add($worker->pipe, function (int $pipe) { // 使用 swoole_event_add 添加管道到异步IO
        /** @var Process $worker */
        $worker = $GLOBALS['worker'];
        $msg = $worker->read();
        echo "from master: $msg \n";
        $worker->write("hello master");
        sleep(2);
        $worker->exit(0);
    });
});
$process->start();
$process->write("master msg 1");
$msg = $process->read();
echo "from process: $msg \n";

• 设置超时

use Swoole\Process;

// 设置管道超时
$process = new Process(function (Process $worker) {
    sleep(5);
});
$process->start();
$process->setTimeout(0.5);
$ret = $process->read();
var_dump($ret);
var_dump(swoole_errno());

插播一个趣事, @thinkpc 看完 2017北京PHP开发者年会, 就知道为啥会点赞了

• 关闭管道

// 关闭管道: 默认值0->关闭读写 1->关闭写 2->关闭读
$process->close();

进程间通信(IPC) - 消息队列(message queue)

消息队列:

• 一系列保存在内核中的消息链表
• 有一个 msgKey, 可以通过此访问不同的消息队列
• 有数据大小限制, 默认 8192, 可以通过内核修改
• 阻塞 vs 非阻塞: 阻塞模式下 pop()空消息队列/push()满消息队列会阻塞, 非阻塞模式可以直接返回

swoole 中使用消息队列:

• 通信模式: 默认为争抢模式, 无法将消息投递给指定子进程
• 新建消息队列后, 主进程就可以使用
• 消息队列不可和管道一起使用, 也无法使用 swoole event loop
• 主进程中要调用 wait(), 否则子进程中调用 pop()/push() 会报错

use Swoole\Process;
$process = new Process(function (Process $worker) {
    // $worker->push('worker');
    echo "from master: ". $worker->pop(). "\n";
    sleep(2);
    // $worker->exit();
}, false, false); // 关闭管道
// 参数一为 msgKey, 这里是默认值
// 参数二为 通信模式, 默认值 2 表示争抢模式, 这里还加上了 非阻塞
$process->useQueue(ftok(__FILE__, 1), 2| Process::IPC_NOWAIT);
$process->push('hello1'); // 使用 useQueue 后, 主进程就可以读写消息队列了
$process->push('hello2');
echo "from woker: ". $process->pop(). "\n";
// echo "from woker: ". $process->pop(). "\n";
$process->start(); // 启动子进程
// 消息队列状态
var_dump($process->statQueue());
// 删除队列, 如果不调用则不会在程序结束时清楚数据, 下次使用相同 msgKey 时还可以访问数据
$process->freeQueue();
var_dump(Process::wait()); // 要调用 wait(), 否则子进程中 push()/pop() 会报错

swoole process 模块提供的更多功能

• swoole_set_process_name(): 修改进程名, 不兼容 mac
• swoole_process->exec(string $execfile, array $args) 执行外部程序

参数 $execfile 需要使用可执行文件的绝对路径, 参数 args 为参数数组

// 比如 python test.py 123
swoole_process->exec('/usr/bin/python', ['test.py', 123]);

// 更复杂的例子
swoole_process->exec(('/usr/local/bin/php', ['/var/www/project/yii-best-practice/cli/yii', 't/index', '-m=123', 'abc', 'xyz']);

// 父进程 exec 进程进行管道通信
use Swoole\Process;
$process = new Process(function (Process $worker) {
    $worker->exec('/bin/echo', ['hello']);
    $worker->write('hello');
}, true); // 需要启用标准输入输出重定向
$process->start();
echo "from exec: ". $process->read(). "\n";

• \Swoole\Process::kill($pid, $signo = SIGTERM): 向指定进程发送信号, 默认是终止进程, 传 0 可检测进程是否存在
• \Swoole\Process::wait(): 回收子进程, 如果主进程不调用此方法, 子进程会变成 僵尸进程, 浪费系统资源
• \Swoole\Process::signal(): 异步信号监听

use Swoole\Process;

// 异步信号监听 + wait
Process::signal(SIGCHLD, function ($signal) { // 监听子进程退出信号
    // 可能同时有多个子进程退出, 所以要while循环
    while ($ret = Process::wait(false)) { // false 表示不阻塞
        var_dump($ret);
    }
});

\Swoole\Process::daemon(): 将当前进程变为一个守护进程

use Swoole\Process;

// daemon
Process::daemon();
swoole_set_process_name('test daemon process');
sleep(100);

• \Swoole\Process::alarm(): 高精度定时器(微秒级), 对 setitimer 系统调用的封装, 可以配合 \Swoole\Process::signal() / pcntl_signal 使用

注意不可和 \Swoole\Timer 同时使用

// signal + alarm
// 第一个参数表示时间, 单位 us, -1 表示清除定时器
// 第二个参数表示类型 0->真实时间->SIGALAM 1->cpu时间->SIGVTALAM 2->用户态+内核态时间->SIGPROF
Process::alarm(100*1000); // 100ms
Process::signal(SIGALRM, function ($signal) {
    static $i = 0;
    echo "#$i \t alarm \n";
    $i++;
    if ($i>20) {
        Process::alarm(-1); // -1 表示清除
    }
});

• \Swoole\Process::setaffinity(): 设置CPU亲和, 即将进程绑定到指定CPU核上

传值范围: [0, swoole_cpu_num())
CPU亲和: CPU的速度远远高于IO的速度, 所以CPU有多级缓存来解决IO等待的问题, 绑定指定CPU, 更容易命中CPU缓存

写在最后

资源推荐:

• 图灵社区 - 理解UNIX进程 + 「理解Unix进程」读书笔记
• blog - 「进程」编程

todo:

• 使用输入输出重定向
• 管道类型为 SOCK_STREAM 时的情况, 是否需要 封包/解包 处理, 即 swoole wiki - process->write() 中提到的 管道通信默认的方式是流式，write写入的数据在read可能会被底层合并
• 多进程 + 异步IO 的注意事项

能理解 因为子进程会继承父进程的内存和IO句柄 这个会产生的影响, 但是给的示例并没有说明这个问题

use Swoole\Process;
use Swoole\Event;

// 多个子进程 + 异步IO
$workers = [];
$workerNum = 3;
for ($i=0; $i<$workerNum; $i++) {
    $process = new Process(function (Process $worker) {
        $worker->write($worker->pid);
        echo "worker: {$worker->pid} \n";
    });
    $pid = $process->start();
    $workers[$pid] = $process;
    // Event::add($process->pipe, function (int $pipe) use ($process) {
    //  $data = $process->read();
    //  echo "recv: $data \n";
    // });
}
foreach ($workers as $worker) {
    Event::add($worker->pipe, function (int $pipe) use ($worker) {
        $data = $worker->read();
        echo "recv: $data \n";
    });
}