Swoole - 基本概念

Process 與 Thread

Process（行程、進程、處理程序）與 Thread（執行緒、線程）是作業系統中相當重要的概念。因為他們相對比較抽象，且通常 PHP 開發者對於兩者的概念較薄弱，但是在 Swoole 開發中會運用大量 Process 與 Thread 的觀念，所以在開始學 Swoole 之前對於他們必須有基本的了解。

Process

Process 是一個程式執行後實體化的概念，在分時系統年代中 Process 是程式運作的基本單位。一個程式可以產生多個 Process（一對多關係），若干 Process 有時可能與同一個程式相關聯，且每個 Process 皆可以同步（循序）或非同步（平行）的方式獨立執行。Process 需要一些資源才能完成工作，如：CPU、記憶體、檔案以及 I/O 裝置，且為依序逐一進行，也就是每個 CPU 核心任何時間內僅能執行一個 Process。

在 Windows 系統當中可以在工作管理員當中來檢視，如：audiodg.exe、CISVC.exe等都是一個個 Process。

在 Unix 系統中則可以透過 ps 命令來查看。

ps aux | grep php
Albert  1976  0.0.0.0  2511500  992 s000  ... php artisan socket:serve
Albert  1975  0.0.0.0  2511500 1188 s000  ... php artisan socket:serve
Albert  1974  0.0.0.0  2503180  724 s000  ... php artisan socket:serve

Process 中還另外包含了 Parent 與 Child 的概念，Process 可以透過系統中的 fork 函數來產生自己的 Child Process，而所產生出來的 Child Process 會從 Parent Process 中複製一份相同的資源出來。如：Process A 同時 fork 出 Process B 與 Process C，假使 Process A 中宣告了 $a = 1 則 Process B 與 Process C 中也會各有一份一樣的 $a = 1，但是不同 Process 間的變數修改是不會相互干擾的，也就是說假使今天在 Process A 中更改了 $a = 2 則 Process B 與 Process C 的變數依然還會是 1。

簡單來說，每個 Process 所擁有的資源在執行期間是獨立的，不與其它 Process 共用，所以每個 Process 只能存取屬於自己的部份，不能直接去更改其它 Process 的資料。

Thread

Thread 是作業系統中能夠進行運算排程的最小單位，Thread 被包含在 Process 中，在現代作業系統中，被設計為 Process 中的實際運作單位。也就是一個 Process 中可以包含一個或多個 Thread。在此不考慮 Hyper-Threading 的狀況下，通常一個 CPU Core 在同一時間只能提供一個 Thread 讓系統調用去執行程式。

Process 與 Thread 之間的關係我們可以把它想像成是工廠與員工的關係，工廠擁有資源與設備，但需要由員工去操作才能生產產品。所以要做出一件成品，工廠內至少要有一位員工在做事，不同的 Process 就像是不同的工廠，而 Thread 就像是一位派遣員工一樣，由作業系統負責調度他在什麼時間該去那家工廠上班，如果電腦擁有多個處理核心，即代表系統可以同時調用多個員工。

多任務的實現

試想一下，如果我們今天要使系統能夠同時執行多個任務該如何處理？根據上文的理解，我們可以：

• 啟動多個 Process
• 啟動一個 Process，並在該 Process 中啟動多個 Thread
• 啟動多個 Process，並在每個 Process 中啟動多個 Thread

Linux的 fork 函數通過系统調用即可實現建立一個與原來 Process 幾乎相同的 Process。對於多任務，通常我們會設計 Master-Worker 模式，即一個 Master Process 負責分配任務，多個 Worker Process 負責執行任務。同理，如果是 Multi-Thread，Master 就是Master Thread，Worker 就是 Child Thread。

Multi-Process 與 Multi-Thread

Multi-Process 的優點就是穩定度相當高，如果其中一個 Process 掛掉了，不會影響到其他的 Process。而對於 Multi-Thread，因為所有的 Thread 都共享同一個 Process 的資源，如果某一個 Thread 掛了，那這個 Process 幾乎就崩溃了。

在性能方面，不論是 Process 還是 Thread，不是啟用越多，效能就會越高，如果啟用數目太多，將會為 CPU 的產生資源調度的問題，因為 Process 或者 Thread 間的切換，本身就非常耗費系統資源。當啟用數量達到一定程度的时候，CPU 和記憶體會被大量消耗，反而會拖累效能甚至使整個系統當掉。

Multi-Thread 與 Multi-Process 相比更加輕量一些，而且 Thread 之間是可以互相共享資源的，所以不同 Thread 之間的交互就比較容易實現。而 Multi-Process 之間的通信，則需透過共享記憶體或是 Message Queue 等較複雜的方式才可實現。

Swoole 的架構模型

Swoole Server 中有以下幾種角色，分別是：Master(Process)、Reactor(Thread)、Manager(Process)、Worker(Process) 和 TaskWoker(Process)

Master(Process)

Master 是 Swoole 的主要 Process，當我們啟動 Swoole 時，當下的 Process 就會成為 Master Process 並負責建立 Main Reactor、建立和管理 Reactor、建立 Manager 並開始接受客戶端請求等工作。

首先 Master 會透過 fork 函數建立一個 Manager，接著建立 Reactor，當全部建立完成後會呼叫 onStart 的 callback function，此時可以在這個 callback function 中對 Master 做一些處理或修改。如：將 Master 重新命名，保存 Master 的 PID 檔案等。

這裡要特別注意，因為 Master 不應該存在任何商業邏輯，因此 Swoole 底層會禁止你在此處做一些行為，如：發送請求、呼叫 Swoole 的異步 API 等等。

Reactor(Thread)

Reactor 以 Multi-Thread 的方式執行，Reactor 底層由 epoll 函數來實現（在Mac系統是透過 Kqueue），用於實際監聽和處理來自客戶端的 Connect 請求，並完全是透過異步、非阻塞的模式來運作。

Manager(Process)

Swoole 中 Worker/Task worker 都是由 Manager 所 fork 並管理的。當 Manager 被建立時，會呼叫 onManagerStart 的 callback function 通知上層的應用。

當底下的某個 Worker 意外結束執行時，Manager 會負責回收的工作，並同時建立新的 Worker 補足固定的數量維持 Swoole 的正常運作。

當 Manager 退出時，會呼叫 onManagerStop 的 callback function，可以利用此時進行一些回收邏輯。

Worker(Process)

Worker 以 Multi-Process 的方式執行，是 Swoole 中執行大部分邏輯的地方，因此在 Worker 中所對應的 callback function 數量也是最多的。

當 Worker 啟動後會呼叫 onWorkerStart 的 callback function，在這裡我們就能夠使用全部 Swoole 所提供的 API 了。

當上層的 Reactor 收到客戶端的請求後，就會將數據打包發送給 Worker，並在相對應的 callback function 中（如：onReceive、onRequest、onMessage等）處理這些資料，並可以將處理結果回傳給 Reactor，再回傳至客戶端中。如果 Worker 正常退出，會呼叫 onWorkerStop 的 callback function，若是處理數據過程中出現嚴重錯誤或者 Worker 請求達到處理上限時，則會呼叫 onWorkerError 的 callback function 並結束該 Worker。

Task Worker(Process)

Task Worker 一樣以 Multi-Process 的方式執行，只接受由 Worker 中透過 swoole_server->task/taskwait 方法指派過來的任務，並將結果回傳給 Worker。

Process 間的通訊

在 Swoole 中，Process 間的通訊可以分為以下幾三種狀況：

• Master <=> Worker
• Worker <=> Worker
• Worker <=> Task Worker

前兩種情形，在 Swoole 底層統一使用 Unix Socket 進行通訊，這些 socket 也都歸併到各自 Process 的 Reactor 中進行管理。而第三種情況，除了預設的 Unix Socket 外，還可以使用由系統提供的 Message Queue 来實作。

跨 Process 通訊

若你有不同 Worker Process 間需要共用變數的需求，基本上你有幾個方案：

• 使用 apcu, swoole table, yac, shmop 等共享記憶體的擴展
• 使用資料庫 redis, memcache, mysql
• 使用檔案系統 /dev/shm, /tmp 等記憶體檔案