Swoole的进程模型

2018-04-02 41 0

前言

前文再续,就书接上一回,随着与Server、TCP、Protocol的邂逅,Swoole终于迎来了自己的故事,今天,我们来聊聊Swoole的进程模。

前边几篇东西虽然标题是Swoole,其主要讲的是操作系统、计算机网络方面的知识,包括一点点笔者自己的私货,今天终于放假了,咱可以讨论一下公的了=。=

并发之始

之前我们已经初步讨论的一个WebServer是怎样工作的,但之前的例子中,我们看到的服务都是一个客户端与一个服务端一问一答的场景,但事实上,绝大部分时候我们预期的服务并不是只向一个客户端提供服务,所以,作为一个成熟的Server,并发\并行问题是必须解决的。

其实,“并发”和“并行”两个概念在计算机中是相关但不同的,有兴趣的童鞋可以自己搜索一下,笔者今天仅讨论并发咯。

而软件开发中,最常见的并发问题解决方案,莫过于多线程/多进程两种模式了。

微软的体系中,除了线程,还有“纤程”;而最近非常火爆的“协程”,则又是另一个解决方案了。

在《计算机组成原理》中我们都学过,并发中最迫切需要解决的问题之一,就是数据的可靠性问题,而不同的并发模型,其并发数据可靠性的机制往往各有特点,因此,在使用Swoole Server\Client的过程中,其并发解决方案的模型是必须要了解的,否则使用上很容易出现不符合预期的结果。

简单说,就是防止脏读脏写

Swoole目前总共有三种运行模式,其中Base模式基本没有生产应用价值;协程模式暂时还处于预览阶段;因此,笔者在此想和大家讨论的,就是Swoole的多进程模式,也是官方目前最推荐用于生产环境的模式。

事实上,Swoole曾经还有多线程模式,但由于Zend在多线程模式本身的缺陷,在1.6版本后,多线程模式已经被关闭。

进程模型

首先,我们还是来简单回顾一下Swoole Server的构造函数,之前我们已经解决了Host、Port、Protocol的问题,这期我们来看最后一个参数的:

<?php $server = new \swoole_server("127.0.0.1",8088,SWOOLE_PROCESS,SWOOLE_SOCK_TCP);
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第三个参数mode中我们填入的PROCESS,即表示当前Server是运行于多进程模式的。

其他mode的可选参数可以参考手册

然后,我们简单实现一个没有任何内容的Server,并运行在守护进程模式下:

<?php $server = new \swoole_server("127.0.0.1",8088,SWOOLE_PROCESS,SWOOLE_SOCK_TCP); $server->on('connect', function ($serv, $fd){ }); $server->on('receive', function ($serv, $fd, $from_id, $data){ }); $server->on('close', function ($serv, $fd){ }); $server->set([ "daemonize"=>true ]); $server -> start();
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相比以前,这里我们在启动Server之前,通过set方法对Server进行了配置,daemonize表示当前服务在启动后会进入守护进程。

关于守护进程问题,可以参考拙作《守护进程二三事与Supervisor》

在启动服务之后,我们继续在Shell中输入以下命令:

> php swoole_server_demo.php
> pstree -ap|grep swoole_server_demo |-php,2829 swoole_server_demo.php |   |-php,2831 swoole_server_demo.php |   |   `-php,2836 swoole_server_demo.php
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pstree命令可以查看进程的树模型

从系统的输出中,我们可以很容看出server其实有3个进程,进程的pid分别是2829、2831、2836,其中2829是2831的父进程,而2831又是2836的父进程。

所以,其实我们虽然看起来只是启动了一个Server,其实最后产生的是三个进程。

这三个进程中,所有进程的根进程,也就是例子中的2829进程,就是所谓的Master进程;而2831进程,则是Manager进程;最后的2836进程,是Worker进程。

基于此,我们简单梳理一下,当执行的start方法之后,发生了什么:

  1. 当前进程退出(守护进程模式下),fork出Master进程,并触发OnMasterStart事件。
  2. Master进程启动成功之后,fork出Manager进程,并触发OnManagerStart事件。
  3. Manager进程启动成功时候,fork出Worker进程,并触发OnWorkerStart事件。

所以,一个最基础的Swoole Server,至少需要有3个进程,分别是Master进程、Manager进程和Worker进程。

不要看到进程多就觉得麻烦咯,其实全赖它们各司其职,才有Swoole重新定义PHP的壮举。

事实上,一个多进程模式下的Swoole Server中,有且只有一个Master进程;有且只有一个Manager进程;却可以有n个Worker进程。

那么这几个进程之间是怎么协同工作的呢?我们先暂时考虑只有一个Worker的情况。

那么,我们又可以拉出之前写的最简单Server,来看看这个过程中,三种进程之间是怎么协作的。

  1. Client主动Connect的时候,Client实际上是与Master进程中的某个Reactor线程发生了连接。
  2. 当TCP的三次握手成功了以后,由这个Reactor线程将连接成功的消息告诉Manager进程,再由Manager进程转交给Worker进程。
  3. 在这个Worker进程中触发了OnConnect的方法。
  4. 当Client向Server发送了一个数据包的时候,首先收到数据包的是Reactor线程,同时Reactor线程会完成组包,再将组好的包交给Manager进程,由Manager进程转交给Worker。
  5. 此时Worker进程触发OnReceive事件。
  6. 如果在Worker进程中做了什么处理,然后再用Send方法将数据发回给客户端时,数据则会沿着这个路径逆流而上。

同样的故事,随着认识的加深,会发现不一样的精彩

首先,Master进程是一个多线程进程,其中有一组非常重要的线程,叫做Reactor线程(组),每当一个客户端连接上服务器的时候,都会由Master进程从已有的Reactor线程中,根据一定规则挑选一个,专门负责向这个客户端提供维持链接、处理网络IO与收发数据等服务。

以前我们提到的分包拆包等功能也是在这里完成的哦。

而Manager进程,某种意义上可以看做一个代理层,它本身并不直接处理业务,其主要工作是将Master进程中收到的数据转交给Worker进程,或者将Worker进程中希望发给客户端的数据转交给Master进程进行发送。

另外,Manager进程还负责监控Worker进程,如果Worker进程因为某些意外挂了,Manager进程会重新拉起新的Worker进程,有点像Supervisor的工作

而这个特性,也是最终实现热重载的核心机制。

最后就是Worker进程了,顾名思义,Worker进程其实就是处理各种业务工作的进程,Manager将数据包转交给Worker进程,然后Worker进程进行具体的处理,并根据实际情况将结果反馈给客户端。

如果要打个比方的话,Master进程就像业务窗口的,Reactor就是前台接待员,用户很多的时候,后边的用户就需要排队等待服务;Reactor负责与客户直接沟通,对客户的请求进行初步的整理(传输层级别的整理——组包);然后,Manager进程就是类似项目经理的角色,要负责将业务分配给合适的Worker(例如空闲的Worker);而Worker进程就是工人,负责实现具体的业务。

实际上,一对多投递这种模式总是在并发的程序设计非常常见:1个Master进程投递n个Reactor线程;1个Manager进程投递n个Worker进程。

现在,我们来看看一个简单的多进程Swoole Server的几个基本配置:

<?php $server->set([ "daemonize"=>true, "reactor_num"=>2, "worker_num"=>4,
]); $server -> start();
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reactor_num:表示Master进程中,Reactor线程总共开多少个,注意,这个可不是越多越好,因为计算机的CPU是有限的,所以一般设置为与CPU核心数量相同,或者两倍即可。

worker_num:表示启动多少个Worker进程,同样,Worker进程数量不是越多越好,仍然设置为与CPU核心数量相同,或者两倍即可。

读书万卷不若自己亲手写一行,试验一下这个配置下,Server启动后,pstree的结构。

进程模型与数据共享

在以前的讨论中,我们最常接触到的回调方法如下:

  1. OnConnect
  2. OnReceive
  3. OnClose

如上一节所说,这三个回调其实都是在Worker进程中发生的,而了解了进程模型以后,我们可以认识一下更多的回调方法了:

// 以下回调发生在Master进程 $server->on("start", function (\swoole_server $server){ echo "On master start.";
}); $server->on('shutdown', function (\swoole_server $server){ echo "On master shutdown.";
}); // 以下回调发生在Manager进程 $server->on('ManagerStart', function (\swoole_server $server){ echo "On manager start.";
}); $server->on('ManagerStop', function (\swoole_server $server){ echo "On manager stop.";
}); // 以下回调也发生在Worker进程 $server->on('WorkerStart', function (\swoole_server $server, $worker_id){ echo "Worker start";
}); $server->on('WorkerStop', function(\swoole_server $server, $worker_id){ echo "Worker stop";
}); $server->on('WorkerError', function(\swoole_server $server, $worker_id, $worker_pid, $exit_code){ echo "Worker error";
});
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OK,现在我们更新一下我们的测试代码,以展示不同进程之间,数据共享的特点和关系:

$server = new \swoole_server("127.0.0.1",8088,SWOOLE_PROCESS,SWOOLE_SOCK_TCP); $server->on('connect', function ($serv, $fd){ }); $server->on('receive', function ($serv, $fd, $from_id, $data){ }); $server->on('close', function ($serv, $fd){ }); // 在交互进程中放入一个数据。 $server->BaseProcess = "I'm base process." // 为了便于阅读,以下回调方法按照被起调的顺序组织 // 1. 首先启动Master进程 $server->on("start", function (\swoole_server $server){ echo "On master start.".PHP_EOL; // 先打印在交互进程写入的数据 echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL; // 修改交互进程中写入的数据 $server->BaseProcess = "I'm changed by master."; // 在Master进程中写入一些数据,以传递给Manager进程。 $server->MasterToManager = "Hello manager, I'm master.";
}); // 2. Master进程拉起Manager进程 $server->on('ManagerStart', function (\swoole_server $server){ echo "On manager start.".PHP_EOL; // 打印,然后修改交互进程中写入的数据 echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL; $server->BaseProcess = "I'm changed by manager."; // 打印,然后修改在Master进程中写入的数据 echo "server->MasterToManager = ".$server->MasterToManager.PHP_EOL; $server->MasterToManager = "This value has changed in manager."; // 写入传递给Worker进程的数据 $server->ManagerToWorker = "Hello worker, I'm manager.";
}); // 3. Manager进程拉起Worker进程 $server->on('WorkerStart', function (\swoole_server $server, $worker_id){ echo "Worker start".PHP_EOL; // 打印在交互进程写入,然后在Master进程,又在Manager进程被修改的数据 echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL; // 打印,并修改Master写入给Manager的数据 echo "server->MasterToManager = ".$server->MasterToManager.PHP_EOL; $server->MasterToManager = "This value has changed in worker."; // 打印,并修改Manager传递给Worker进程的数据 echo "server->ManagerToWorker = ".$server->ManagerToWorker.PHP_EOL; $server->ManagerToWorker = "This value is changed in worker.";
}); // 4. 正常结束Server的时候,首先结束Worker进程 $server->on('WorkerStop', function(\swoole_server $server, $worker_id){ echo "Worker stop".PHP_EOL; // 分别打印之前的数据 echo "server->ManagerToWorker = ".$server->ManagerToWorker.PHP_EOL; echo "server->MasterToManager = ".$server->MasterToManager.PHP_EOL; echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL;
}); // 5. 紧接着结束Manager进程 $server->on('ManagerStop', function (\swoole_server $server){ echo "Manager stop.".PHP_EOL; // 分别打印之前的数据 echo "server->ManagerToWorker = ".$server->ManagerToWorker.PHP_EOL; echo "server->MasterToManager = ".$server->MasterToManager.PHP_EOL; echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL;
}); // 6. 最后回收Master进程 $server->on('shutdown', function (\swoole_server $server){ echo "Master shutdown.".PHP_EOL; // 分别打印之前的数据 echo "server->ManagerToWorker = ".$server->ManagerToWorker.PHP_EOL; echo "server->MasterToManager = ".$server->MasterToManager.PHP_EOL; echo "server->BaseProcess = ".$server->BaseProcess.PHP_EOL;
}); $server -> start();
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这段程序测试的时候,我们需要开两个会话,第一个会话用于执行并打印输出;第二个会话用于使用kill命令通知Server执行一些工作,然后我们看看输出的结果:

# 在会话一中
> php swoole_server_demo.php On master start.
server->BaseProcess = I'm base process. On manager start.
server->BaseProcess = I'm base process.
server->MasterToManager = 
Worker start
server->BaseProcess = I'm base process.
server->MasterToManager = 
server->ManagerToWorker = 
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从Manager start和Worker start中的输出,我们发现BaseProcess、MasterToManager、ManagerToWorker并没有分别在Master、Manager中被修改,并在子进程中打印出被修改后的结果,这是为什么呢?别急,我们继续做个实验。

打开会话二,先执行pstree -ap|grep php找到刚刚启动的Server的Master进程的PID,然后向该进程发送-10信号,然后再次实行pstree命令看看:

> pstree -ap|grep php |   |       `-php,5512 swoole_server_demo.php |   |           |-php,5513 swoole_server_demo.php |   |           |   `-php,5515 swoole_server_demo.php >  kill -10 5512 > pstree -ap|grep php |   |       `-php,5512 swoole_server_demo.php |   |           |-php,5513 swoole_server_demo.php |   |           |   `-php,5522 swoole_server_demo.php
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-10信号的作用是,要求Swoole重启Worker服务,我们会发现原来的Worker[5515]被干掉了,而产生了一个新的Worker[5522],此时如果我们切换回会话一,会发现增加了以下的输出:

[2016-10-03 02:00:26 $5513.0]  NOTICE Server is reloading now.
Worker stop server->ManagerToWorker = This value is changed in worker. server->MasterToManager = This value has changed in worker. server->BaseProcess = I'm base process. Worker start server->BaseProcess = I'm changed by manager. server->MasterToManager = This value has changed in manager. server->ManagerToWorker = Hello worker, I'm manager.
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首先是Swoole自己打印的日志信息,Server正在被reloading,然后Worker[5515]被终止,执行了WorkerStop的方法,此时WorkerStop输出的值我们可以看出,在WorkerStart中的赋值都是生效了的;然后,新的Worker[5522]被启动了,重新触发WorkerStart方法,这时我们发现,BaseProcess、MasterToManager和ManagerToWorker都分别被打印了出来?这是什么原因呢?

原因在方法被执行的顺序上,我们前文中的进程起调顺序并没有问题,但有些地方我们要做一点小小的细化:

  1. Master进程被启动。
  2. Manager进程Master进程fork出来。
  3. Worker进程被Manager进程fork出来。
  4. MasterStart被回调。
  5. ManangerStart被回调。
  6. WorkerStart被回调。

也就是说,三种进程的OnStart方法被回调的时候都有一定的延迟,底层事实上已经完工了fork的行为,才回调的,因此,默认启动的时候,我们在OnMasterStart、OnManagerStart中写入的数据并不能按预期被fork到Manager进程或者Worker进程。

然后,我们执行了kill -10重新拉起Worker进程的时候,此时Worker进程仍然是由Mananger进程fork出来的,但此时ManangerStart已经被执行过了,所以我们会发现在OnWorkerStart的时候,输出变成了ManagerStart中修改过的内容。

OK,现在我们回到Shell会话二,向Master进程发送kill -15命令

> kill -15 5512
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然后回到会话一,我们发现输出增加了如下的内容:

[2016-10-03 02:17:35 #5512.0]   NOTICE Server is shutdown now.
Worker stop server->ManagerToWorker = This value is changed in worker. server->MasterToManager = This value has changed in worker. server->BaseProcess = I'm changed by manager. Manager stop. server->ManagerToWorker = Hello worker, I'm manager. server->MasterToManager = This value has changed in manager. server->BaseProcess = I'm changed by manager. Master shutdown. server->ManagerToWorker = server->MasterToManager = Hello manager, I'm master. server->BaseProcess = I'm changed by master.
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-15命令是通知Swoole正常终止服务,首先停止Worker进程,触发OnWorkerStop回调,此时我们输出的内容懂事我们在WorkerStart中修改过的版本。

然后停止Manager进程,这时候要留意,我们在Worker中做的所有操作并没有反应在Manager进程上,OnManagerStop的输出仍然是在OnManagerStart中赋值的内容。

最后停止Master进程,也会有相同的事情发生。

通过以上实验,展示了多进程Server的两个重要特性:

  1. 父进程fork出子进程的时候,子进程会拷贝一份父进程的所有数据。
  2. 各个进程之间的数据一般情况下是不共享内存的。

所以,学习Swoole的进一步需求就是,要弄清楚各个回调方法分别是在哪个进程中发生的,且发生的顺序是什么。

这两个特性会引起什么问题呢?如果没有弄清楚当前的代码是在哪个进程执行的,很有可能就会引起数据的错误,而多个进程之间进行协作的话,不能像以往的PHP开发一样,通过共享变量实现。

以上例子中,为了便于输出,没有启用守护进程模式,所以交互进程与Master进程是同一个进程,有兴趣的童鞋欢迎在守护进程下实验。

所以,这又引出了下一个问题,多进程模型中,内存不能共享,那进程之间应该怎么通讯呢?限于篇幅,今天我们先讨论到这里,下一期我们再来探讨这个问题。

小结

今天,咱们讨论SWOOLE的多进程模型中,最简单也最基础的三进程的场景,并通过实例演示了Swoole Server的进程启动顺序,细化了Server与Client通信时,各个进程之间是分工协作的基本流程。最后给出了一个实验,并通过实验引入了各个进程起调时机,及由此产生的数据共享问题。

有兴趣的同学可以通过设置worker_num属性,实现实验的多Worker版本,看看Worker之间的变量共享会有什么特征?

回顾

这个系列我已经上传到了github上,欢迎围观:github.com/szyhf/swoole_study

  1. 当SWOOLE遇上PHP 【SWOOLE安装、PHP的CLI模式】
  2. 当SWOOLE遇上SERVER 【TCP/IP】
  3. 当SWOOLE遇上TCP【TCP】
  4. 当SWOOLE遇上PROTOCOL【通信协议】

番外:

  1. 守护进程二三事与Supervisor

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