[转载] PHP8.1 新特性fiber及原理浅析

08-01 17:09 字数 7847 阅读 1227 已编辑

前言

很早就听说PHP8.1出了Fiber(又称纤程),但一直也没时间捣鼓它, 正好前段时间在整理PHP的新特性/功能,想看看有没有什么可以给日常开发带来便利、安全、性能提升的,再看到它感觉跟性能有点关系, 于是就决定捣鼓一下,整理记录下捣鼓过程。

使用

基本使用

作为开发者(语言使用用户),肯定先感受一下怎么用。按照官方的demo跑了一下:

$fiber = new Fiber(function (): void {
    echo "我是第二个输出\n";
    Fiber::suspend();
    echo "我是第四个输出\n";
});
echo "我是第一个输出\n";
$fiber->start();
echo "我是第三个输出\n";
$fiber->resume();
echo "我是第五个输出\n";
我是第一个输出
我是第二个输出
我是第三个输出
我是第四个输出
我是第五个输出

看输出顺序不出所料,看demo的意思应该还可以双向传递数据:

$fiber = new Fiber(function (string $fruit1, string $fruit2): void {
    echo "我是第二个输出;混合水果为:{$fruit1}, {$fruit2}\n";
    $amount = Fiber::suspend("{$fruit1}{$fruit2}汁");
    echo "我是第四个输出;收银为:{$amount}\n";
    Fiber::suspend($amount - 23.5);
});
echo "我是第一个输出\n";
$juice = $fiber->start("苹果", "西瓜");
echo "我是第三个输出;果汁为:{$juice}\n";
$change = $fiber->resume(50);
echo "我是第五个输出;找零为:{$change}\n";
我是第一个输出
我是第二个输出;混合水果为:苹果, 西瓜
我是第三个输出;果汁为:苹果西瓜汁
我是第四个输出;收银为:50
我是第五个输出;找零为:26.5

对比生成器

好家伙,看起来是挺新鲜的,但是不是立马想到了PHP5中就支持的生成器+yield(具体生成器+yield的使用说明参考「Chapter 3.PHP5 生成器与yield及原理浅析」 )呢? 于是带着疑问阅读了一下官方文档,果然有写两者的区别:

可以在无需改造中间函数模拟构建调用堆栈的前提下,在任意位置进行Fiber控制,而这在之前的生成器+yield的实现下是无法做到的

这也是之前PHP界一些协程框架一直被诟病之处,必须通过层层嵌套来模拟(模拟方式参考「Chapter 3.PHP5 生成器与yield及原理浅析」


尝试一下(Fiber匿函中调用otherFunc时无需像yield那样就行改造,就像正常函数调用一样就可以):

$fiber = new Fiber(function (): void {
    otherFunc();
});
echo "我要开始咯\n";
$juice = $fiber->start();
echo "另一个函数成功暂停了Fiber;现在尝试恢复Fiber\n";
$fiber->resume();

function otherFunc(): void
{
    echo "Fiber已经进入了另一个函数;现在在这里尝试暂停该Fiber\n";
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber已经恢复,我也结束自己的生命周期了\n";
}
我要开始咯
Fiber已经进入了另一个函数;现在在这里尝试暂停该Fiber
另一个函数成功暂停了Fiber;现在尝试恢复Fiber
Fiber已经恢复,我也结束自己的生命周期了

为什么?

知道了可以这样用,总是想要再进一步了解下为什么Fiber可以这么用,而生成器+yield却不行呢?

带着这个问题开始下一个环节:


深入一点

继续在官方文档中寻找蛛丝马迹,发现其实在同一段话中已经把原因也说清楚了~~

原因就是:

  • 生成器则无栈
  • Fiber具备独立执行堆栈(执行堆栈相关知识参考「Chapter 4. 程序执行过程中的执行堆栈」)

生成器执行过程

生成器的执行过程参考「Chapter 3.PHP5 生成器与yield及原理浅析」

Fiber执行过程

基于Fiber具备独立执行堆栈的前提,不妨以下方代码为例猜想一下Fiber大致执行过程(先不管双向值传递):

$fiber = new Fiber(function (): void {
    otherFunc();
});
echo "我要开始咯\n";
$juice = $fiber->start();
echo "另一个函数成功暂停了Fiber;现在尝试恢复Fiber\n";
$fiber->resume();

function otherFunc(): void
{
    echo "Fiber已经进入了另一个函数;现在在这里尝试暂停该Fiber\n";
    Fiber::suspend();
    echo "Fiber已经恢复,我也结束自己的生命周期了\n";
}

上下文信息初始化

  • 分配一块空间用于维护主执行堆栈和全部Fiber执行堆栈上下文信息的集合(图中的101~200区块)

图中(下图同)内存只展示用户空间几个主要区块,并且为了更简单展示Fiber的执行过程,内存、CPU以及ZendVM屏蔽和抽象了一些细节,如需更多了解细节,可参考以下文章:

-「Chapter 4. 程序执行过程中的执行堆栈」 -「Chapter 5. 从CPU和内存视角看程序运行」


Fiber的初始化

$fiber = new Fiber(function (): void {
    otherFunc();
});

当CPU以主线程栈区为执行堆栈执行到002行时:

  • 在用户空间分配一块内存(一般从堆中)充当该Fiber的执行堆栈(图中9900~9801区块)
  • 将该Fiber状态以及其执行堆栈上下文信息加入上下文维护集合(图中106~110,可以认为Fiber包的指令起始位置为003行,因此EIP为003;匿函没有参数和局部变量,因此ESP和EBP都指向9900)


Fiber的启动

$juice = $fiber->start();

CPU继续以主线程栈区为执行堆栈执行了005行,执行到006行时:

  • 暂存当前CPU上下文至维护集合中主执行堆栈上下文信息中(图中101~105,当前执行指令行为006,因此EIP为007)
  • 从维护集合中将目标Fiber标记为激活状态,并将其执行堆栈上下文信息(图中106~110)填充至当前CPU上下文中


Fiber中调用otherFunc函数

CPU以Fiber栈区为执行堆栈执行003行,调用otherFunc函数,函数调用的过程参考「Chapter 4. 程序执行过程中的执行堆栈」


Fiber的暂停

Fiber::suspend();

CPU以Fiber栈区为执行堆栈执行012行,执行到013行时:

  • 暂存当前CPU上下文至维护集合中代表该Fiber的上下文信息中(图中106~110,当前执行指令行为013,因此EIP为014;当前Fiber在otherFunc中且无参数和局部变量,因此ESP和EBP指向otherFunc栈帧,也就是9899)
  • 将该Fiber标记为休眠状态
  • 从维护集合中将主执行堆栈上下文信息(图中101~105)填充至当前CPU上下文中


Fiber的恢复

$fiber->resume();

CPU以主线程栈区为执行堆栈执行007行,执行到008行时(同上述 Fiber的启动过程):

  • 暂存当前CPU上下文至维护集合中主执行堆栈上下文信息中(图中101~105,当前执行指令行为008,因此EIP为009)
  • 从维护集合中将目标Fiber标记为激活状态,并将其执行堆栈上下文信息(图中106~110)填充至当前CPU上下文中


Fiber的终结

CPU以Fiber栈区为执行堆栈执行014行,otherFuc函数返回(栈帧出栈),回到004行,Fiber终结时:

  • 从维护集合中删除目标Fiber的状态信息及其执行堆栈上下文信息(图中106~110)
  • 销毁该Fiber对应的执行堆栈(图中9801~9900)
  • 将主线程(启动/唤醒该Fiber的调用者)上下文信息(图中101~105)填充至当前CPU上下文中,使CPU回到主线程栈运行


源码验证

以上过程只是猜测,为了验证这个猜测的正确性与正确度,带着三脚猫的C记忆来看一下Fiber的源码实现:


核心代码文件

先找到几个主要文件中的主要代码块(还好PHP源码很容易就能找到这俩文件):

zend_fibers.h
zend_fibers.c


Fiber核心结构

为Fiber设置了初始化、运行中、暂停、死亡四种状态:

typedef enum {
    ZEND_FIBER_STATUS_INIT,
    ZEND_FIBER_STATUS_RUNNING,
    ZEND_FIBER_STATUS_SUSPENDED,
    ZEND_FIBER_STATUS_DEAD,
} zend_fiber_status;

每个Fiber的上下文结构中维护了该Fiber的函数入口、执行堆栈、状态等信息

struct _zend_fiber_context {
    /* Pointer to boost.context or ucontext_t data. */
    void *handle;

    /* Pointer that identifies the fiber type. */
    void *kind;

    /* Entrypoint function of the fiber. */
    zend_fiber_coroutine function;

    /* Cleanup function for fiber. */
    zend_fiber_clean cleanup;

    /* Assigned C stack. */
    zend_fiber_stack *stack;

    /* Fiber status. */
    zend_fiber_status status;

    /* Observer state */
    zend_execute_data *top_observed_frame;

    /* Reserved for extensions */
    void *reserved[ZEND_MAX_RESERVED_RESOURCES];
};

一个Fiber结构中包含了自身、调用者、恢复目标的上下文,执行堆栈当前栈底帧。看起来不是独立一块空间维护全部上下文,而是自维护并组成链表

/*  */
struct _zend_fiber {
    /* PHP object handle. */
    zend_object std;

    /* Flags are defined in enum zend_fiber_flag. */
    uint8_t flags;

    /* Native C fiber context. */
    zend_fiber_context context;

    /* Fiber that resumed us. */
    zend_fiber_context *caller;

    /* Fiber that suspended us. */
    zend_fiber_context *previous;

    /* Callback and info / cache to be used when fiber is started. */
    zend_fcall_info fci;
    zend_fcall_info_cache fci_cache;

    /* Current Zend VM execute data being run by the fiber. */
    zend_execute_data *execute_data;

    /* Frame on the bottom of the fiber vm stack. */
    zend_execute_data *stack_bottom;

    /* Active fiber vm stack. */
    zend_vm_stack vm_stack;

    /* Storage for fiber return value. */
    zval result;
};

Fiber核心功能

为了方便阅读,源码中仅留下重要代码,前后用//代替了:

Fiber::startFiber::resume方法内部指向zend_fiber_resume函数 Fiber::suspend方法内部指向zend_fiber_suspend函数

ZEND_METHOD(Fiber, start)
{
    /* ... */

    fiber->previous = &fiber->context;

    zend_fiber_transfer transfer = zend_fiber_resume(fiber, NULL, false);

    /* ... */
}
ZEND_METHOD(Fiber, suspend)
{
    /* ... */

    zend_fiber_transfer transfer = zend_fiber_suspend(fiber, value);

    /* ... */
}
ZEND_METHOD(Fiber, resume)
{
    /* ... */

    zend_fiber_transfer transfer = zend_fiber_resume(fiber, value, false);

    /* ... */
}
  • zend_fiber_resumezend_fiber_suspend函数内部指向zend_fiber_switch_to函数(顾名思义进行fiber切换)
static zend_always_inline zend_fiber_transfer zend_fiber_resume(zend_fiber *fiber, zval *value, bool exception)
{
    /* ... */

    /* 恢复对方=切换上下文至对方的previous(start时该值为对方自身,之后可在暂停和传递时被替换) */
    zend_fiber_transfer transfer = zend_fiber_switch_to(fiber->previous, value, exception);

    /* ... */
}
static zend_always_inline zend_fiber_transfer zend_fiber_suspend(zend_fiber *fiber, zval *value)
{
    /* ... */

    /* 暂停自己=切换上下文至调用自己的那个 */
    return zend_fiber_switch_to(caller, value, false);
}
  • zend_fiber_switch_to函数内部指向zend_fiber_switch_context 函数(顾名思义切上下文),结合上面定义的Fiber上下文结构,最终应该就是通过VM切换CPU上的寄存器内容了,就到这儿吧(再深入怕胡说八道露了馅)
static zend_always_inline zend_fiber_transfer zend_fiber_switch_to(
    zend_fiber_context *context, zval *value, bool exception
) {
    /* ... */

    zend_fiber_switch_context(&transfer);

    /* ... */
}
  • 还有一个初始化分配Fiber所需空间的函数
static zend_object *zend_fiber_object_create(zend_class_entry *ce)
{
    /* 分配对象空间 */
    zend_fiber *fiber = emalloc(sizeof(zend_fiber));
    memset(fiber, 0, sizeof(zend_fiber));

    /* ... */
}

阅读小结

到了这里,可以知道猜测跟实现略有出入,但基本差不多。


总结与扩展

  1. 这样看起来,Fiber(纤程)其实就是一种有栈协程(用户态线程)的实现,因此它具备全部协程的特点;
  2. Fiber本身是一种N:1的线程模型,也许可以结合多线程扩展来实现类似Golang的N:M模型(pthread被放弃了,还未尝试,不过也需要结合第5点);
  3. Fiber将全部的切换过程完全交由用户(开发者)控制,没有像Golang在runtime或者说引擎/VM中做任何掌控/协助调度的功能;
  4. Fiber本身并没有解决IO阻塞问题,如果直接用它不会提升效率,反而会带来额外的性能开销和阅读成本;
  5. 如果想要有所发挥,感觉需要在Cli运行模式下封装非阻塞IO和fiber调度器(react和amp基本都是这思路,只是基于生成器+yield方案),同时用第2点的方式构建N:M模型来避免阻塞调用的影响,但这样基本都构成一套简易Golang的调度runtime(参考「Chapter 9. Go goroutine与其调度过程」);
  6. 而在FPM运行模式下,感觉有点没什么用武之地,更像是一个底层的玩具API(或许官方在8.1加入Fiber只是第一步,未来可能会从各方面动作来配合实现性能和并发的提升,但势必也意味着复杂和变化吧~)。

最后贴一个Fiber和Swoole的瓜,许久没关注,错过了刀光剑影~


原文链接:https://blog.csdn.net/u011757697/article/details/128256823

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