PHP Socket 深度探索 （一）

摘要：首先，解释一下目前领域比较易于混淆的概念有阻塞非阻塞同步异步多路复用等。在这些多路复用的模式中，异步阻塞非阻塞模式的扩展性和性能最好。

Socket（套接字）一直是网络层的底层核心内容，也是 TCP/IP 以及 UDP 底层协议的实现通道。随着互联网信息时代的爆炸式发展，当代服务器的性能问题面临越来越大的挑战，著名的 C10K 问题（http://www.kegel.com/c10k.html）也随之出现。幸亏通过大牛们的不懈努力，区别于传统的 select/poll 的 epoll/kqueue 方式出现了，目前 linux2.6 以上的内核都普遍支持，这是 Socket 领域一项巨大的进步，不仅解决了 C10K 问题，也渐渐成为了当代互联网的底层核心技术。libevent 库就是其中一个比较出彩的项目（现在非常多的开源项目都有用到，包括 Memcached），感兴趣的朋友可以研究一下。

由于网络上系统介绍这个部分的文章并不多，而涉及 PHP 的就更少了，所以石头君在这里希望通过《Socket深度探究4PHP》这个系列给对这个领域感兴趣的读者们一定的帮助，也希望大家能和我一起对这个问题进行更深入的探讨。首先，解释一下目前 Socket 领域比较易于混淆的概念有：阻塞/非阻塞、同步/异步、多路复用等。

1、阻塞/非阻塞：这两个概念是针对 IO 过程中进程的状态来说的，阻塞 IO 是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起；相反，非阻塞指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

2、同步/异步：这两个概念是针对调用如果返回结果来说的，所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回；相反，当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

3、多路复用（IO/Multiplexing）：为了提高数据信息在网络通信线路中传输的效率，在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道，同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术。对于 Socket 来说，应该说能同时处理多个连接的模型都应该被称为多路复用，目前比较常用的有 select/poll/epoll/kqueue 这些 IO 模型（目前也有像 Apache 这种每个连接用多带带的进程/线程来处理的 IO 模型，但是效率相对比较差，也很容易出问题，所以暂时不做介绍了）。在这些多路复用的模式中，异步阻塞/非阻塞模式的扩展性和性能最好。

socket_server.php

 
**/  
set_time_limit(0);  
class SocketServer   
{  
    private static $socket;  
    function SocketServer($port)   
    {  
        global $errno, $errstr;  
        if ($port < 1024) {  
            die("Port must be a number which bigger than 1024/n");  
        }  
          
        $socket = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:{$port}", $errno, $errstr);  
        if (!$socket) die("$errstr ($errno)");  
          
//      stream_set_timeout($socket, -1); // 保证服务端 socket 不会超时，似乎没用：）  
          
        while ($conn = stream_socket_accept($socket, -1)) { // 这样设置不超时才油用  
            static $id = 0;  
            static $ct = 0;  
            $ct_last = $ct;  
            $ct_data = "";  
            $buffer = "";  
            $id++; // increase on each accept  
            echo "Client $id come./n";  
            while (!preg_match("//r?/n/", $buffer)) { // 没有读到结束符，继续读  
//              if (feof($conn)) break; // 防止 popen 和 fread 的 bug 导致的死循环  
                $buffer = fread($conn, 1024);  
                echo "R"; // 打印读的次数  
                $ct += strlen($buffer);  
                $ct_data .= preg_replace("//r?/n/", "", $buffer);  
            }  
            $ct_size = ($ct - $ct_last) * 8;  
            echo "[$id] " . __METHOD__ . " > " . $ct_data . "/n";  
            fwrite($conn, "Received $ct_size byte data./r/n");  
            fclose($conn);  
        }  
          
        fclose($socket);  
    }  
}  
new SocketServer(2000);  

socket_client.php

 
**/  
function debug ($msg)  
{  
//  echo $msg;  
    error_log($msg, 3, "/tmp/socket.log");  
}  
if ($argv[1]) {  
      
    $socket_client = stream_socket_client("tcp://0.0.0.0:2000", $errno, $errstr, 30);  
      
//  stream_set_blocking($socket_client, 0);  
//  stream_set_timeout($socket_client, 0, 100000);  
      
    if (!$socket_client) {  
        die("$errstr ($errno)");  
    } else {  
        $msg = trim($argv[1]);  
        for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
            $res = fwrite($socket_client, "$msg($i)");  
            usleep(100000);  
            echo "W"; // 打印写的次数  
//          debug(fread($socket_client, 1024)); // 将产生死锁，因为 fread 在阻塞模式下未读到数据时将等待  
        }  
        fwrite($socket_client, "/r/n"); // 传输结束符  
        debug(fread($socket_client, 1024));  
        fclose($socket_client);  
    }  
}  
else {  
      
//  $phArr = array();  
//  for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
//      $phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." "{$i}:test"", "r");  
//  }  
//  foreach ($phArr as $ph) {  
//      pclose($ph);  
//  }  
      
    for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
        system("php ".__FILE__." "{$i}:test"");  
    }  
}  

首先，解释一下以上的代码逻辑：客户端 socket_client.php 循环发送数据，最后发送结束符；服务端 socket_server.php 使用 accept 阻塞方式接收 socket 连接，然后循环接收数据，直到收到结束符，返回结果数据（接收到的字节数）。虽然逻辑很简单，但是其中有几种情况很值得分析一下：

A> 默认情况下，运行 php socket_client.php test，客户端打出 10 个 W，服务端打出若干个 R 后面是接收到的数据，/tmp/socket.log 记录下服务端返回的接收结果数据。这种情况很容易理解，不再赘述。然后，使用 telnet 命令同时打开多个客户端，你会发现服务器一个时间只处理一个客户端，其他需要在后面“排队”；这就是阻塞 IO 的特点，这种模式的弱点很明显，效率极低。

B> 只打开 socket_client.php 第 26 行的注释代码，再次运行 php socket_client.php test 客户端打出一个 W，服务端也打出一个 R，之后两个程序都卡住了。这是为什么呢，分析逻辑后你会发现，这是由于客户端在未发送结束符之前就向服务端要返回数据；而服务端由于未收到结束符，也在向客户端要结束符，造成死锁。而之所以只打出一个 W 和 R，是因为 fread 默认是阻塞的。要解决这个死锁，必须打开 socket_client.php 第 16 行的注释代码，给 socket 设置一个 0.1 秒的超时，再次运行你会发现隔 0.1 秒出现一个 W 和 R 之后正常结束，服务端返回的接收结果数据也正常记录了。可见 fread 缺省是阻塞的，我们在编程的时候要特别注意，如果没有设置超时，就很容易会出现死锁。

C> 只打开 15 行注释，运行 php socket_client.php test，结果基本和情况 A 相同，唯一不同的是 /tmp/socket.log 没有记录下返回数据。这里可以看出客户端运行在阻塞和非阻塞模式的区别，当然在客户端不在乎接受结果的情况下，可以使用非阻塞模式来获得最大效率。

D> 运行 php socket_client.php 是连续运行 10 次上面的逻辑，这个没什么问题；但是很奇怪的是如果你使用 35 - 41 行的代码，用 popen 同时开启 10 个进程来运行，就会造成服务器端的死循环，十分怪异！后来经调查发现只要是用 popen 打开的进程创建的连接会导致 fread 或者 socket_read 出错直接返回空字串，从而导致死循环，查阅 PHP 源代码后发现 PHP 的 popen 和 fread 函数已经完全不是 C 原生的了，里面都插入了大量的 php_stream_* 实现逻辑，初步估计是其中的某个 bug 导致的 Socket 连接中断所导致的，解决方法就是打开 socket_server.php 中 31 行的代码，如果连接中断则跳出循环，但是这样一来就会有很多数据丢失了，这个问题需要特别注意！

select_server.php

 
**/  
set_time_limit(0);  
class SelectSocketServer   
{  
    private static $socket;  
    private static $timeout = 60;  
    private static $maxconns = 1024;  
    private static $connections = array();  
    function SelectSocketServer($port)   
    {  
        global $errno, $errstr;  
        if ($port < 1024) {  
            die("Port must be a number which bigger than 1024/n");  
        }  
          
        $socket = socket_create_listen($port);  
        if (!$socket) die("Listen $port failed");  
          
        socket_set_nonblock($socket); // 非阻塞  
          
        while (true)   
        {  
            $readfds = array_merge(self::$connections, array($socket));  
            $writefds = array();  
              
            // 选择一个连接，获取读、写连接通道  
            if (socket_select($readfds, $writefds, $e = null, $t = self::$timeout))   
            {  
                // 如果是当前服务端的监听连接  
                if (in_array($socket, $readfds)) {  
                    // 接受客户端连接  
                    $newconn = socket_accept($socket);  
                    $i = (int) $newconn;  
                    $reject = "";  
                    if (count(self::$connections) >= self::$maxconns) {  
                        $reject = "Server full, Try again later./n";  
                    }  
                    // 将当前客户端连接放入 socket_select 选择  
                    self::$connections[$i] = $newconn;  
                    // 输入的连接资源缓存容器  
                    $writefds[$i] = $newconn;  
                    // 连接不正常  
                    if ($reject) {  
                        socket_write($writefds[$i], $reject);  
                        unset($writefds[$i]);  
                        self::close($i);  
                    } else {  
                        echo "Client $i come./n";  
                    }  
                    // remove the listening socket from the clients-with-data array  
                    $key = array_search($socket, $readfds);  
                    unset($readfds[$key]);  
                }  
                  
                // 轮循读通道  
                foreach ($readfds as $rfd) {  
                    // 客户端连接  
                    $i = (int) $rfd;  
                    // 从通道读取  
                    $line = @socket_read($rfd, 2048, PHP_NORMAL_READ);  
                    if ($line === false) {  
                        // 读取不到内容，结束连接            
                        echo "Connection closed on socket $i./n";  
                        self::close($i);  
                        continue;  
                    }  
                    $tmp = substr($line, -1);  
                    if ($tmp != "/r" && $tmp != "/n") {  
                        // 等待更多数据  
                        continue;  
                    }  
                    // 处理逻辑  
                    $line = trim($line);  
                    if ($line == "quit") {  
                        echo "Client $i quit./n";  
                        self::close($i);  
                        break;  
                    }  
                    if ($line) {  
                        echo "Client $i >>" . $line . "/n";  
                    }  
                }  
                  
                // 轮循写通道  
                foreach ($writefds as $wfd) {  
                    $i = (int) $wfd;  
                    $w = socket_write($wfd, "Welcome Client $i!/n");  
                }  
            }  
        }  
    }  
      
    function close ($i)   
    {  
        socket_shutdown(self::$connections[$i]);  
        socket_close(self::$connections[$i]);  
        unset(self::$connections[$i]);  
    }  
}  
new SelectSocketServer(2000);  

select_client.php

 
**/  
function debug ($msg)  
{  
//  echo $msg;  
    error_log($msg, 3, "/tmp/socket.log");  
}  
if ($argv[1]) {  
      
    $socket_client = stream_socket_client("tcp://0.0.0.0:2000", $errno, $errstr, 30);  
      
//  stream_set_timeout($socket_client, 0, 100000);  
      
    if (!$socket_client) {  
        die("$errstr ($errno)");  
    } else {  
        $msg = trim($argv[1]);  
        for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
            $res = fwrite($socket_client, "$msg($i)/n");  
            usleep(100000);  
//          debug(fread($socket_client, 1024)); // 将产生死锁，因为 fread 在阻塞模式下未读到数据时将等待  
        }  
        fwrite($socket_client, "quit/n"); // add end token  
        debug(fread($socket_client, 1024));  
        fclose($socket_client);  
    }  
}  
else {  
      
    $phArr = array();  
    for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
        $phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." "{$i}:test"", "r");  
    }  
    foreach ($phArr as $ph) {  
        pclose($ph);  
    }  
      
//  for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
//      system("php ".__FILE__." "{$i}:test"");  
//  }  
}  

以上代码的逻辑也很简单，select_server.php 实现了一个类似聊天室的功能，你可以使用 telnet 工具登录上去，和其他用户文字聊天，也可以键入“quit”命令离开；而 select_client.php 则模拟了一个登录用户连续发 10 条信息，然后退出。这里也分析两个问题：

A> 这里如果我们执行 php select_client.php 程序将会同时打开 10 个连接，同时进行模拟登录用户操作；观察服务端打印的数据你会发现服务端确实是在同时处理这些连接，这就是多路复用实现的非阻塞 IO 模型，当然这个模型并没有真正的实现异步，因为最终服务端程序还是要去通道里面读取数据，得到结果后同步返回给客户端。如果这次你也使用 telnet 命令同时打开多个客户端，你会发现服务端可以同时处理这些连接，这就是非阻塞 IO，当然比古老的阻塞 IO 效率要高多了，但是这种模式还是有局限的，继续看下去你就会发现了~

B> 我在 select_server.php 中设置了几个参数，大家可以调整试试：
$timeout ：表示的是 select 的超时时间，这个一般来说不要太短，否则会导致 CPU 负载过高。
$maxconns ：表示的是最大连接数，客户端超过这个数的话，服务器会拒绝接收。这里要提到的一点是，由于 select 是通过句柄来读写的，所以会受到系统默认参数 __FD_SETSIZE 的限制，一般默认值为 1024，修改的话需要重新编译内核；另外通过测试发现 select 模式的性能会随着连接数的增大而线性便差（详情见《Socket深度探究4PHP（二）》），这也就是 select 模式最大的问题所在，所以如果是超高并发服务器建议使用下一种模式。

epoll_server.php

 
 *  
 * Defined constants: 
 *  
 * EV_TIMEOUT (integer) 
 * EV_READ (integer) 
 * EV_WRITE (integer) 
 * EV_SIGNAL (integer) 
 * EV_PERSIST (integer) 
 * EVLOOP_NONBLOCK (integer) 
 * EVLOOP_ONCE (integer) 
**/  
set_time_limit(0);  
class EpollSocketServer  
{  
    private static $socket;  
    private static $connections;  
    private static $buffers;  
      
    function EpollSocketServer ($port)  
    {  
        global $errno, $errstr;  
          
        if (!extension_loaded("libevent")) {  
            die("Please install libevent extension firstly/n");  
        }  
          
        if ($port < 1024) {  
            die("Port must be a number which bigger than 1024/n");  
        }  
          
        $socket_server = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:{$port}", $errno, $errstr);  
        if (!$socket_server) die("$errstr ($errno)");  
          
        stream_set_blocking($socket_server, 0); // 非阻塞  
          
        $base = event_base_new();  
        $event = event_new();  
        event_set($event, $socket_server, EV_READ | EV_PERSIST, array(__CLASS__, "ev_accept"), $base);  
        event_base_set($event, $base);  
        event_add($event);  
        event_base_loop($base);  
          
        self::$connections = array();  
        self::$buffers = array();  
    }  
      
    function ev_accept($socket, $flag, $base)   
    {  
        static $id = 0;  
      
        $connection = stream_socket_accept($socket);  
        stream_set_blocking($connection, 0);  
      
        $id++; // increase on each accept  
      
        $buffer = event_buffer_new($connection, array(__CLASS__, "ev_read"), array(__CLASS__, "ev_write"), array(__CLASS__, "ev_error"), $id);  
        event_buffer_base_set($buffer, $base);  
        event_buffer_timeout_set($buffer, 30, 30);  
        event_buffer_watermark_set($buffer, EV_READ, 0, 0xffffff);  
        event_buffer_priority_set($buffer, 10);  
        event_buffer_enable($buffer, EV_READ | EV_PERSIST);  
      
        // we need to save both buffer and connection outside  
        self::$connections[$id] = $connection;  
        self::$buffers[$id] = $buffer;  
    }  
      
    function ev_error($buffer, $error, $id)   
    {  
        event_buffer_disable(self::$buffers[$id], EV_READ | EV_WRITE);  
        event_buffer_free(self::$buffers[$id]);  
        fclose(self::$connections[$id]);  
        unset(self::$buffers[$id], self::$connections[$id]);  
    }  
      
    function ev_read($buffer, $id)   
    {  
        static $ct = 0;  
        $ct_last = $ct;  
        $ct_data = "";  
        while ($read = event_buffer_read($buffer, 1024)) {  
            $ct += strlen($read);  
            $ct_data .= $read;  
        }  
        $ct_size = ($ct - $ct_last) * 8;  
        echo "[$id] " . __METHOD__ . " > " . $ct_data . "/n";  
        event_buffer_write($buffer, "Received $ct_size byte data./r/n");  
    }  
      
    function ev_write($buffer, $id)   
    {  
        echo "[$id] " . __METHOD__ . "/n";  
    }  
}  
new EpollSocketServer(2000);  

epoll_client.php

 
**/  
function debug ($msg)  
{  
//  echo $msg;  
    error_log($msg, 3, "/tmp/socket.log");  
}  
if ($argv[1]) {  
    $socket_client = stream_socket_client("tcp://0.0.0.0:2000", $errno, $errstr, 30);  
//  stream_set_blocking($socket_client, 0);  
    if (!$socket_client) {  
        die("$errstr ($errno)");  
    } else {  
        $msg = trim($argv[1]);  
        for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
            $res = fwrite($socket_client, "$msg($i)");  
            usleep(100000);  
            debug(fread($socket_client, 1024));  
        }  
        fclose($socket_client);  
    }  
}  
else {  
      
    $phArr = array();  
    for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
        $phArr[$i] = popen("php ".__FILE__." "{$i}:test"", "r");  
    }  
    foreach ($phArr as $ph) {  
        pclose($ph);  
    }  
      
//  for ($i = 0; $i < 10; $i++) {  
//      system("php ".__FILE__." "{$i}:test"");  
//  }  
}  

先说一下，以上的例子是基于 PHP 的 libevent 扩展实现的，需要运行的话要先安装此扩展，参考：http://pecl.php.net/package/l...。

这个例子做的事情和前面介绍的第一个模型一样，epoll_server.php 实现的服务端也是接受客户端数据，然后返回结果（接收到的字节数）。但是，当你运行 php epoll_client.php 的时候你会发现服务端打印出来的结果和 accept 阻塞模型就大不一样了，当然运行效率也有极大的提升，这是为什么呢？接下来就介绍一下 epoll/kqueue 模型：在介绍 select 模式的时候我们提到了这种模式的局限，而 epoll 就是为了解决 poll 的这两个缺陷而生的。首先，epoll 模式基本没有限制（参考 cat /proc/sys/fs/file-max 默认就达到 300K，很令人兴奋吧，其实这也就是所谓基于 epoll 的 Erlang 服务端可以同时处理这么多并发连接的根本原因，不过现在 PHP 理论上也可以做到了，呵呵）；另外，epoll 模式的性能也不会像 select 模式那样随着连接数的增大而变差，测试发现性能还是很稳定的（下篇会有详细介绍）。

epoll 工作有两种模式 LT(level triggered) 和 ET(edge-triggered)，前者是缺省模式，同时支持阻塞和非阻塞 IO 模式，虽然性能比后者差点，但是比较稳定，一般来说在实际运用中，我们都是用这种模式（ET 模式和 WinSock 都是纯异步非阻塞模型）。而另外一点要说的是 libevent 是在编译阶段选择系统的 I/O demultiplex 机制的，不支持在运行阶段根据配置再次选择，所以我们在这里也就不细讨论 libevent 的实现的细节了，如果朋友有兴趣进一步了解的话，请参考：http://monkey.org/~provos/lib...。

到这里，第一部分的内容结束了，相信大家已经了解了 Socket 编程的几个重点概念和一些实战技巧，在下一篇《Socket深度探究4PHP（二） 》我将会对 select/poll/epoll/kqueue 几种模式做一下深入的介绍和对比，另外也会涉及到两种重要的 I/O 多路复用模式：Reactor 和 Proactor 模式。

To be continued ...