多進程/線程

最早的服務器端程序都是通過多進程、多線程來解決并發IO的問題。進程模型出現的最早，從Unix 系統誕生就開始有了進程的概念。最早的服務器端程序一般都是 Accept 一個客戶端連接就創建一個進程，然后子進程進入循環同步阻塞地與客戶端連接進行交互，收發處理數據。

多線程模式出現要晚一些，線程與進程相比更輕量，而且線程之間共享內存堆棧，所以不同的線程之間交互非常容易實現。比如實現一個聊天室，客戶端連接之間可以交互，聊天室中的玩家可以任意的其他人發消息。用多線程模式實現非常簡單，線程中可以直接向某一個客戶端連接發送數據。而多進程模式就要用到管道、消息隊列、共享內存等等統稱進程間通信（IPC）復雜的技術才能實現。

最簡單的多進程服務端模型

$serv = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:8000", $errno, $errstr) 
or die("Create server failed");

![image.png](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/4686383-a16cd123fd865f10.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

while(1) {
    $conn = stream_socket_accept($serv);
    if (pcntl_fork() == 0) {
        $request = fread($conn);
        // do something
        // $response = "hello world";
        fwrite($response);
        fclose($conn);
        exit(0);
    }
}

多進程/線程模型的流程是：

創建一個 socket，綁定服務器端口（bind），監聽端口（listen），在 PHP 中用 stream_socket_server 一個函數就能完成上面 3 個步驟，當然也可以使用更底層的sockets 擴展分別實現。

進入 while 循環，阻塞在 accept 操作上，等待客戶端連接進入。此時程序會進入隨眠狀態，直到有新的客戶端發起 connect 到服務器，操作系統會喚醒此進程。accept 函數返回客戶端連接的 socket 主進程在多進程模型下通過 fork（php: pcntl_fork）創建子進程，多線程模型下使用 pthread_create（php: new Thread）創建子線程。

下文如無特殊聲明將使用進程同時表示進程/線程。

子進程創建成功后進入 while 循環，阻塞在 recv（php:fread）調用上，等待客戶端向服務器發送數據。收到數據后服務器程序進行處理然后使用 send（php: fwrite）向客戶端發送響應。長連接的服務會持續與客戶端交互，而短連接服務一般收到響應就會 close。

當客戶端連接關閉時，子進程退出并銷毀所有資源，主進程會回收掉此子進程。

image.png

這種模式最大的問題是，進程創建和銷毀的開銷很大。所以上面的模式沒辦法應用于非常繁忙的服務器程序。對應的改進版解決了此問題，這就是經典的 Leader-Follower 模型。

$serv = stream_socket_server("tcp://0.0.0.0:8000", $errno, $errstr) 
or die("Create server failed");

for($i = 0; $i < 32; $i++) {
    if (pcntl_fork() == 0) {
        while(1) {
            $conn = stream_socket_accept($serv);
            if ($conn == false) continue;
            // do something
            $request = fread($conn);
            // $response = "hello world";
            fwrite($response);
            fclose($conn);
        }
        exit(0);
    }
}

它的特點是程序啟動后就會創建 N 個進程。每個子進程進入 Accept，等待新的連接進入。當客戶端連接到服務器時，其中一個子進程會被喚醒，開始處理客戶端請求，并且不再接受新的 TCP 連接。當此連接關閉時，子進程會釋放，重新進入 Accept，參與處理新的連接。

這個模型的優勢是完全可以復用進程，沒有額外消耗，性能非常好。很多常見的服務器程序都是基于此模型的，比如 Apache、PHP-FPM。

多進程模型也有一些缺點。

這種模型嚴重依賴進程的數量解決并發問題，一個客戶端連接就需要占用一個進程，工作進程的數量有多少，并發處理能力就有多少。操作系統可以創建的進程數量是有限的。

啟動大量進程會帶來額外的進程調度消耗。數百個進程時可能進程上下文切換調度消耗占 CPU 不到1%可以忽略不接，如果啟動數千甚至數萬個進程，消耗就會直線上升。調度消耗可能占到 CPU 的百分之幾十甚至 100%。

并行和并發

談到多進程以及類似同時執行多個任務的模型，就不得不先談談并行和并發。

并發（Concurrency）

是指能處理多個同時性活動的能力，并發事件之間不一定要同一時刻發生。

并行（Parallesim）

是指同時發生的兩個并發事件，具有并發的含義，而并發則不一定并行。

區別

• 『并發』指的是程序的結構，『并行』指的是程序運行時的狀態
• 『并行』一定是并發的，『并行』是『并發』設計的一種
• 單線程永遠無法達到『并行』狀態

正確的并發設計的標準是：

使多個操作可以在重疊的時間段內進行。
two tasks can start, run, and complete in overlapping time periods

參考：

• http://www.vaikan.com/docs/Concurrency-is-not-Parallelism
• https://talks.golang.org/2012/waza.slide

迭代器 & 生成器

在了解 PHP 協程前，還有 迭代器 和 生成器 這兩個概念需要先認識一下。

迭代器

PHP5 開始內置了 Iterator 即迭代器接口，所以如果你定義了一個類，并實現了Iterator 接口，那么你的這個類對象就是 ZEND_ITER_OBJECT 即可迭代的，否則就是 ZEND_ITER_PLAIN_OBJECT。

對于 ZEND_ITER_PLAIN_OBJECT 的類，foreach 會獲取該對象的默認屬性數組，然后對該數組進行迭代。

而對于 ZEND_ITER_OBJECT 的類對象，則會通過調用對象實現的 Iterator 接口相關函數來進行迭代。

任何實現了 Iterator 接口的類都是可迭代的，即都可以用 foreach 語句來遍歷。

Iterator 接口

interface Iterator extends Traversable
{
    // 獲取當前內部標量指向的元素的數據
    public mixed current()

    // 獲取當前標量
    public scalar key()

    // 移動到下一個標量
    public void next()

    // 重置標量
    public void rewind()

    // 檢查當前標量是否有效
    public boolean valid()
}

常規實現 range 函數

PHP 自帶的 range 函數原型：

range — 根據范圍創建數組，包含指定的元素

array range (mixed $start , mixed $end [, number $step = 1 ])

建立一個包含指定范圍單元的數組。

在不使用迭代器的情況要實現一個和 PHP 自帶的 range 函數類似的功能，可能會這么寫：

function range ($start, $end, $step = 1)
{
    $ret = [];
    
    for ($i = $start; $i <= $end; $i += $step) {
        $ret[] = $i;
    }
    
    return $ret;
}

需要將生成的所有元素放在內存數組中，如果需要生成一個非常大的集合，則會占用巨大的內存。

迭代器實現 xrange 函數

來看看迭代實現的 range，我們叫做 xrange，他實現了 Iterator 接口必須的 5 個方法：

class Xrange implements Iterator
{
    protected $start;
    protected $limit;
    protected $step;
    protected $current;

    public function __construct($start, $limit, $step = 1)
    {
        $this->start = $start;
        $this->limit = $limit;
        $this->step  = $step;
    }

    public function rewind()
    {
        $this->current = $this->start;
    }

    public function next()
    {
        $this->current += $this->step;
    }

    public function current()
    {
        return $this->current;
    }

    public function key()
    {
        return $this->current + 1;
    }

    public function valid()
    {
        return $this->current <= $this->limit;
    }
}

使用時代碼如下：

foreach (new Xrange(0, 9) as $key => $val) {
    echo $key, ' ', $val, "\n";
}

輸出：

0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9

看上去功能和 range() 函數所做的一致，不同點在于迭代的是一個 對象(Object) 而不是數組：

var_dump(new Xrange(0, 9));

輸出：

object(Xrange)#1 (4) {
  ["start":protected]=>
  int(0)
  ["limit":protected]=>
  int(9)
  ["step":protected]=>
  int(1)
  ["current":protected]=>
  NULL
}

另外，內存的占用情況也完全不同：

// range
$startMemory = memory_get_usage();
$arr = range(0, 500000);
echo 'range(): ', memory_get_usage() - $startMemory, " bytes\n";

unset($arr);

// xrange
$startMemory = memory_get_usage();
$arr = new Xrange(0, 500000);
echo 'xrange(): ', memory_get_usage() - $startMemory, " bytes\n";

輸出：

xrange(): 624 bytes
range(): 72194784 bytes

range() 函數在執行后占用了 50W 個元素內存空間，而 xrange 對象在整個迭代過程中只占用一個對象的內存。

Yii2 Query

在喜聞樂見的各種 PHP 框架里有不少生成器的實例，比如 Yii2 中用來構建 SQL 語句的 \yii\db\Query 類：

$query = (new \yii\db\Query)->from('user');
// yii\db\BatchQueryResult
foreach ($query->batch() as $users) {
    // 每次循環得到多條 user 記錄
}

來看一下 batch() 做了什么：

/**
* Starts a batch query.
*
* A batch query supports fetching data in batches, which can keep the memory usage under a limit.
* This method will return a [[BatchQueryResult]] object which implements the [[\Iterator]] interface
* and can be traversed to retrieve the data in batches.
*
* For example,
*
*
* $query = (new Query)->from('user');
* foreach ($query->batch() as $rows) {
*     // $rows is an array of 10 or fewer rows from user table
* }
*
*
* @param integer $batchSize the number of records to be fetched in each batch.
* @param Connection $db the database connection. If not set, the "db" application component will be used.
* @return BatchQueryResult the batch query result. It implements the [[\Iterator]] interface
* and can be traversed to retrieve the data in batches.
*/
public function batch($batchSize = 100, $db = null)
{
   return Yii::createObject([
       'class' => BatchQueryResult::className(),
       'query' => $this,
       'batchSize' => $batchSize,
       'db' => $db,
       'each' => false,
   ]);
}

實際上返回了一個 BatchQueryResult 類，類的源碼實現了 Iterator 接口 5 個關鍵方法：

class BatchQueryResult extends Object implements \Iterator
{
    public $db;
    public $query;
    public $batchSize = 100;
    public $each = false;
    private $_dataReader;
    private $_batch;
    private $_value;
    private $_key;


    /**
     * Destructor.
     */
    public function __destruct()
    {
        // make sure cursor is closed
        $this->reset();
    }

    /**
     * Resets the batch query.
     * This method will clean up the existing batch query so that a new batch query can be performed.
     */
    public function reset()
    {
        if ($this->_dataReader !== null) {
            $this->_dataReader->close();
        }
        $this->_dataReader = null;
        $this->_batch = null;
        $this->_value = null;
        $this->_key = null;
    }

    /**
     * Resets the iterator to the initial state.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     */
    public function rewind()
    {
        $this->reset();
        $this->next();
    }

    /**
     * Moves the internal pointer to the next dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     */
    public function next()
    {
        if ($this->_batch === null || !$this->each || $this->each && next($this->_batch) === false) {
            $this->_batch = $this->fetchData();
            reset($this->_batch);
        }

        if ($this->each) {
            $this->_value = current($this->_batch);
            if ($this->query->indexBy !== null) {
                $this->_key = key($this->_batch);
            } elseif (key($this->_batch) !== null) {
                $this->_key++;
            } else {
                $this->_key = null;
            }
        } else {
            $this->_value = $this->_batch;
            $this->_key = $this->_key === null ? 0 : $this->_key + 1;
        }
    }

    /**
     * Fetches the next batch of data.
     * @return array the data fetched
     */
    protected function fetchData()
    {
        // ...
    }

    /**
     * Returns the index of the current dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return integer the index of the current row.
     */
    public function key()
    {
        return $this->_key;
    }

    /**
     * Returns the current dataset.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return mixed the current dataset.
     */
    public function current()
    {
        return $this->_value;
    }

    /**
     * Returns whether there is a valid dataset at the current position.
     * This method is required by the interface [[\Iterator]].
     * @return boolean whether there is a valid dataset at the current position.
     */
    public function valid()
    {
        return !empty($this->_batch);
    }
}

以迭代器的方式實現了類似分頁取的效果，同時避免了一次性取出所有數據占用太多的內存空間。

迭代器使用場景

• 使用返回迭代器的包或庫時（如 PHP5 中的 SPL 迭代器）
• 無法在一次調用獲取所需的所有元素時
• 要處理數量巨大的元素時（數據庫中要處理的結果集內容超過內存）
• ...

生成器

需要 PHP 5 >= 5.5.0 或 PHP 7

雖然迭代器僅需繼承接口即可實現，但畢竟需要定義一整個類然后實現接口的所有方法，實在是不怎么方便。

生成器則提供了一種更簡單的方式來實現簡單的對象迭代，相比定義類來實現 Iterator 接口的方式，性能開銷和復雜度大大降低。

生成器允許在 foreach 代碼塊中迭代一組數據而不需要創建任何數組。一個生成器函數，就像一個普通的有返回值的自定義函數類似，但普通函數只返回一次, 而生成器可以根據需要通過 yield 關鍵字返回多次，以便連續生成需要迭代返回的值。

一個最簡單的例子就是使用生成器來重新實現 xrange() 函數。效果和上面我們用迭代器實現的差不多，但實現起來要簡單的多。

生成器實現 xrange 函數

function xrange($start, $limit, $step = 1) {
    for ($i = 0; $i < $limit; $i += $step) { 
        yield $i + 1 => $i;
    }
}

foreach (xrange(0, 9) as $key => $val) {
    printf("%d %d \n", $key, $val);
}

// 輸出
// 1 0
// 2 1
// 3 2
// 4 3
// 5 4
// 6 5
// 7 6
// 8 7
// 9 8

實際上生成器生成的正是一個迭代器對象實例，該迭代器對象繼承了 Iterator 接口，同時也包含了生成器對象自有的接口，具體可以參考 Generator 類的定義以及語法參考。

同時需要注意的是：

一個生成器不可以返回值，這樣做會產生一個編譯錯誤。然而 return 空是一個有效的語法并且它將會終止生成器繼續執行。

yield 關鍵字

需要注意的是 yield 關鍵字，這是生成器的關鍵。通過上面的例子可以看出，yield 會將當前產生的值傳遞給 foreach，換句話說，foreach 每一次迭代過程都會從 yield 處取一個值，直到整個遍歷過程不再能執行到 yield 時遍歷結束，此時生成器函數簡單的退出，而調用生成器的上層代碼還可以繼續執行，就像一個數組已經被遍歷完了。

yield 最簡單的調用形式看起來像一個 return 申明，不同的是 yield 暫停當前過程的執行并返回值，而 return 是中斷當前過程并返回值。暫停當前過程，意味著將處理權轉交由上一級繼續進行，直到上一級再次調用被暫停的過程，該過程又會從上一次暫停的位置繼續執行。這像是什么呢？如果之前已經在鳥哥的文章中粗略看過，應該知道這很像操作系統的進程調度，多個進程在一個 CPU 核心上執行，在系統調度下每一個進程執行一段指令就被暫停，切換到下一個進程，這樣外部用戶看起來就像是同時在執行多個任務。

但僅僅如此還不夠，yield 除了可以返回值以外，還能接收值，也就是可以在兩個層級間實現雙向通信。

來看看如何傳遞一個值給 yield：

function printer()
{
    while (true) {
        printf("receive: %s\n", yield);
    }
}

$printer = printer();

$printer->send('hello');
$printer->send('world');

// 輸出
receive: hello
receive: world

根據 PHP 官方文檔的描述可以知道 Generator 對象除了實現 Iterator 接口中的必要方法以外，還有一個 send 方法，這個方法就是向 yield 語句處傳遞一個值，同時從 yield 語句處繼續執行，直至再次遇到 yield 后控制權回到外部。

既然 yield 可以在其位置中斷并返回或者接收一個值，那能不能同時進行接收和返回呢？當然，這也是實現協程的根本。對上述代碼做出修改：

function printer()
{
    $i = 0;
    while (true) {
        printf("receive: %s\n", (yield ++$i));
    }
}

$printer = printer();

printf("%d\n", $printer->current());
$printer->send('hello');
printf("%d\n", $printer->current());
$printer->send('world');
printf("%d\n", $printer->current());

// 輸出
1
receive: hello
2
receive: world
3

這是另一個例子：

function gen() {
    $ret = (yield 'yield1');
    var_dump($ret);
    $ret = (yield 'yield2');
    var_dump($ret);
}
 
$gen = gen();
var_dump($gen->current());    // string(6) "yield1"
var_dump($gen->send('ret1')); // string(4) "ret1"   (第一個 var_dump)
                              // string(6) "yield2" (繼續執行到第二個 yield，吐出了返回值)
var_dump($gen->send('ret2')); // string(4) "ret2"   (第二個 var_dump)
                              // NULL (var_dump 之后沒有其他語句，所以這次 ->send() 的返回值為 null)

current 方法是迭代器 Iterator 接口必要的方法，foreach 語句每一次迭代都會通過其獲取當前值，而后調用迭代器的 next 方法。在上述例子里則是手動調用了 current 方法獲取值。

上述例子已經足以表示 yield 能夠作為實現雙向通信的工具，也就是具備了后續實現協程的基本條件。

上面的例子如果第一次接觸并稍加思考，不免會疑惑為什么一個 yield 既是語句又是表達式，而且這兩種情況還同時存在：

• 對于所有在生成器函數中出現的 yield，首先它都是語句，而跟在 yield 后面的任何表達式的值將作為調用生成器函數的返回值，如果 yield 后面沒有任何表達式（變量、常量都是表達式），那么它會返回 NULL，這一點和 return 語句一致。
• yield 也是表達式，它的值就是 send 函數傳過來的值（相當于一個特殊變量，只不過賦值是通過 send 函數進行的）。只要調用send方法，并且生成器對象的迭代并未終結，那么當前位置的 yield 就會得到 send 方法傳遞過來的值，這和生成器函數有沒有把這個值賦值給某個變量沒有任何關系。

這個地方可能需要仔細品味上面兩個 send() 方法的例子才能理解。但可以簡單的記住：

任何時候 yield 關鍵詞即是語句：可以為生成器函數返回值；
也是表達式：可以接收生成器對象發過來的值。

除了 send() 方法，還有一種控制生成器執行的方法是 next() 函數：

• Next()，恢復生成器函數的執行直到下一個 yield
• Send()，向生成器傳入一個值，恢復執行直到下一個 yield

協程

對于單核處理器，多進程實現多任務的原理是讓操作系統給一個任務每次分配一定的 CPU 時間片，然后中斷、讓下一個任務執行一定的時間片接著再中斷并繼續執行下一個，如此反復。由于切換執行任務的速度非?？?，給外部用戶的感受就是多個任務的執行是同時進行的。

多進程的調度是由操作系統來實現的，進程自身不能控制自己何時被調度，也就是說：

進程的調度是由外層調度器搶占式實現的

而協程要求當前正在運行的任務自動把控制權回傳給調度器，這樣就可以繼續運行其他任務。這與『搶占式』的多任務正好相反, 搶占多任務的調度器可以強制中斷正在運行的任務, 不管它自己有沒有意愿?！簠f作式多任務』在 Windows 的早期版本 (windows95) 和 Mac OS 中有使用, 不過它們后來都切換到『搶占式多任務』了。理由相當明確：如果僅依靠程序自動交出控制的話，那么一些惡意程序將會很容易占用全部 CPU 時間而不與其他任務共享。

協程的調度是由協程自身主動讓出控制權到外層調度器實現的

回到剛才生成器實現 xrange 函數的例子，整個執行過程的交替可以用下圖來表示：

image.png

協程可以理解為純用戶態的線程，通過協作而不是搶占來進行任務切換。相對于進程或者線程，協程所有的操作都可以在用戶態而非操作系統內核態完成，創建和切換的消耗非常低。

簡單的說 Coroutine（協程） 就是提供一種方法來中斷當前任務的執行，保存當前的局部變量，下次再過來又可以恢復當前局部變量繼續執行。

我們可以把大任務拆分成多個小任務輪流執行，如果有某個小任務在等待系統 IO，就跳過它，執行下一個小任務，這樣往復調度，實現了 IO 操作和 CPU 計算的并行執行，總體上就提升了任務的執行效率，這也便是協程的意義。

PHP 協程和 yield

PHP 從 5.5 開始支持生成器及 yield 關鍵字，而 PHP 協程則由 yield 來實現。

要理解協程，首先要理解：代碼是代碼，函數是函數。函數包裹的代碼賦予了這段代碼附加的意義：不管是否顯式的指明返回值，當函數內的代碼塊執行完后都會返回到調用層。而當調用層調用某個函數的時候，必須等這個函數返回，當前函數才能繼續執行，這就構成了后進先出，也就是 Stack。

而協程包裹的代碼，不是函數，不完全遵守函數的附加意義，協程執行到某個點，協會協程會 yield 返回一個值然后掛起，而不是 return 一個值然后結束，當再次調用協程的時候，會在上次 yield 的點繼續執行。

所以協程違背了通常操作系統和 x86 的 CPU 認定的代碼執行方式，也就是 Stack 的這種執行方式，需要運行環境（比如 php，python 的 yield 和 golang 的 goroutine）自己調度，來實現任務的中斷和恢復，具體到 PHP，就是靠 yield 來實現。

堆棧式調用 和 協程調用的對比：

image.png

結合之前的例子，可以總結一下 yield 能做的就是：

• 實現不同任務間的主動讓位、讓行，把控制權交回給任務調度器。
• 通過 send() 實現不同任務間的雙向通信，也就可以實現任務和調度器之間的通信。

yield 就是 PHP 實現協程的方式。

協程多任務調度

下面是雄文 Cooperative multitasking using coroutines (in PHP!) 里一個簡單但完整的例子，來展示如何具體的在 PHP 里實現協程任務的調度。

首先是一個任務類：

Task

class Task
{
    // 任務 ID
    protected $taskId;
    // 協程對象
    protected $coroutine;
    // send() 值
    protected $sendVal = null;
    // 是否首次 yield
    protected $beforeFirstYield = true;

    public function __construct($taskId, Generator $coroutine) {
        $this->taskId = $taskId;
        $this->coroutine = $coroutine;
    }
    
    public function getTaskId() {
        return $this->taskId;
    }

    public function setSendValue($sendVal) {
        $this->sendVal = $sendVal;
    }

    public function run() {
        // 如之前提到的在send之前, 當迭代器被創建后第一次 yield 之前，一個 renwind() 方法會被隱式調用
        // 所以實際上發生的應該類似:
        // $this->coroutine->rewind();
        // $this->coroutine->send();
         
        // 這樣 renwind 的執行將會導致第一個 yield 被執行, 并且忽略了他的返回值.
        // 真正當我們調用 yield 的時候, 我們得到的是第二個yield的值，導致第一個yield的值被忽略。
        // 所以這個加上一個是否第一次 yield 的判斷來避免這個問題
        if ($this->beforeFirstYield) {
            $this->beforeFirstYield = false;
            return $this->coroutine->current();
        } else {
            $retval = $this->coroutine->send($this->sendVal);
            $this->sendVal = null;
            return $retval;
        }
    }

    public function isFinished() {
        return !$this->coroutine->valid();
    }
}

接下來是調度器，比 foreach 是要復雜一點，但好歹也能算個正兒八經的 Scheduler :)

Scheduler

class Scheduler
{
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $taskMap = []; // taskId => task
    protected $taskQueue;
 
    public function __construct() {
        $this->taskQueue = new SplQueue();
    }
 
    // （使用下一個空閑的任務id）創建一個新任務,然后把這個任務放入任務map數組里. 接著它通過把任務放入任務隊列里來實現對任務的調度. 接著run()方法掃描任務隊列, 運行任務.如果一個任務結束了, 那么它將從隊列里刪除, 否則它將在隊列的末尾再次被調度。
    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $tid = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($tid, $coroutine);
        $this->taskMap[$tid] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $tid;
    }
 
    public function schedule(Task $task) {
        // 任務入隊
        $this->queue->enqueue($task);
    }
 
    public function run() {
        while (!$this->queue->isEmpty()) {
            // 任務出隊
            $task = $this->queue->dequeue();
            $task->run();
 
            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
}

隊列可以使每個任務獲得同等的 CPU 使用時間，

Demo

function task1() {
    for ($i = 1; $i <= 10; ++$i) {
        echo "This is task 1 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}
 
function task2() {
    for ($i = 1; $i <= 5; ++$i) {
        echo "This is task 2 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}
    
$scheduler = new Scheduler;
 
$scheduler->newTask(task1());
$scheduler->newTask(task2());
 
$scheduler->run();

輸出：

This is task 1 iteration 1.
This is task 2 iteration 1.
This is task 1 iteration 2.
This is task 2 iteration 2.
This is task 1 iteration 3.
This is task 2 iteration 3.
This is task 1 iteration 4.
This is task 2 iteration 4.
This is task 1 iteration 5.
This is task 2 iteration 5.
This is task 1 iteration 6.
This is task 1 iteration 7.
This is task 1 iteration 8.
This is task 1 iteration 9.
This is task 1 iteration 10.

結果正是我們期待的，最初的 5 次迭代，兩個任務是交替進行的，而在第二個任務結束后，只有第一個任務繼續執行到結束。

協程非阻塞 IO

若想真正的發揮出協程的作用，那一定是在一些涉及到阻塞 IO 的場景，我們都知道 Web 服務器最耗時的部分通常都是 socket 讀取數據等操作上，如果進程對每個請求都掛起的等待 IO 操作，那處理效率就太低了，接下來我們看個支持非阻塞 IO 的 Scheduler：

<?php

class Scheduler
{
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $tasks = []; // taskId => task
    protected $queue;

    // resourceID => [socket, tasks]
    protected $waitingForRead = [];
    protected $waitingForWrite = [];
 
    public function __construct() {
        // SPL 隊列
        $this->queue = new SplQueue();
    }
 
    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $tid = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($tid, $coroutine);
        $this->tasks[$tid] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $tid;
    }
 
    public function schedule(Task $task) {
        // 任務入隊
        $this->queue->enqueue($task);
    }
 
    public function run() {
        while (!$this->queue->isEmpty()) {
            // 任務出隊
            $task = $this->queue->dequeue();
            $task->run();
 
            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->tasks[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }

    public function waitForRead($socket, Task $task)
    {
        if (isset($this->waitingForRead[(int)$socket])) {
            $this->waitingForRead[(int)$socket][1][] = $task;
        } else {
            $this->waitingForRead[(int)$socket] = [$socket, [$task]];
        }
    }

    public function waitForWrite($socket, Task $task)
    {
        if (isset($this->waitingForWrite[(int)$socket])) {
            $this->waitingForWrite[(int)$socket][1][] = $task;
        } else {
            $this->waitingForWrite[(int)$socket] = [$socket, [$task]];
        }
    }

    /**
     * @param $timeout 0 represent
     */
    protected function ioPoll($timeout)
    {
        $rSocks = [];
        foreach ($this->waitingForRead as list($socket)) {
            $rSocks[] = $socket;
        }

        $wSocks = [];
        foreach ($this->waitingForWrite as list($socket)) {
            $wSocks[] = $socket;
        }

        $eSocks = [];
        // $timeout 為 0 時, stream_select 為立即返回，為 null 時則會阻塞的等，見 http://php.net/manual/zh/function.stream-select.php
        if (!@stream_select($rSocks, $wSocks, $eSocks, $timeout)) {
            return;
        }

        foreach ($rSocks as $socket) {
            list(, $tasks) = $this->waitingForRead[(int)$socket];
            unset($this->waitingForRead[(int)$socket]);

            foreach ($tasks as $task) {
                $this->schedule($task);
            }
        }

        foreach ($wSocks as $socket) {
            list(, $tasks) = $this->waitingForWrite[(int)$socket];
            unset($this->waitingForWrite[(int)$socket]);

            foreach ($tasks as $task) {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }

    /**
     * 檢查隊列是否為空，若為空則掛起的執行 stream_select，否則檢查完 IO 狀態立即返回，詳見 ioPoll()
     * 作為任務加入隊列后，由于 while true，會被一直重復的加入任務隊列，實現每次任務前檢查 IO 狀態
     * @return Generator object for newTask
     *
     */
    protected function ioPollTask()
    {
        while (true) {
            if ($this->taskQueue->isEmpty()) {
                $this->ioPoll(null);
            } else {
                $this->ioPoll(0);
            }
            yield;
        }
    }

    /**
     * $scheduler = new Scheduler;
     * $scheduler->newTask(Web Server Generator);
     * $scheduler->withIoPoll()->run();
     *
     * 新建 Web Server 任務后先執行 withIoPoll() 將 ioPollTask() 作為任務入隊
     * 
     * @return $this
     */
    public function withIoPoll()
    {
        $this->newTask($this->ioPollTask());
        return $this;
    }
}

這個版本的 Scheduler 里加入一個永不退出的任務，并且通過 stream_select 支持的特性來實現快速的來回檢查各個任務的 IO 狀態，只有 IO 完成的任務才會繼續執行，而 IO 還未完成的任務則會跳過，完整的代碼和例子可以戳這里。

也就是說任務交替執行的過程中，一旦遇到需要 IO 的部分，調度器就會把 CPU 時間分配給不需要 IO 的任務，等到當前任務遇到 IO 或者之前的任務 IO 結束才再次調度 CPU 時間，以此實現 CPU 和 IO 并行來提升執行效率，類似下圖：

image.png

單任務改造

如果想將一個單進程任務改造成并發執行，我們可以選擇改造成多進程或者協程：

• 多進程，不改變任務執行的整體過程，在一個時間段內同時執行多個相同的代碼段，調度權在 CPU，如果一個任務能獨占一個 CPU 則可以實現并行。
• 協程，把原有任務拆分成多個小任務，原有任務的執行流程被改變，調度權在進程自己，如果有 IO 并且可以實現異步，則可以實現并行。

多進程改造

image.png

協程改造

image.png

協程（Coroutines）和 Go 協程（Goroutines）

PHP 的協程或者其他語言中，比如 Python、Lua 等都有協程的概念，和 Go 協程有些相似，不過有兩點不同：

• Go 協程意味著并行（或者可以以并行的方式部署，可以用 runtime.GOMAXPROCS() 指定可同時使用的 CPU 個數），協程一般來說只是并發。
• Go 協程通過通道 channel 來通信；協程通過 yield 讓出和恢復操作來通信。

Go 協程比普通協程更強大，也很容易從協程的邏輯復用到 Go 協程，而且在 Go 的開發中也使用的極為普遍，有興趣的話可以了解一下作為對比。

結束

個人感覺 PHP 的協程在實際使用中想要徒手實現和應用并不方便而且場景有限，但了解其概念及實現原理對更好的理解并發不無裨益。

如果想更多的了解協程的實際應用場景不妨試試已經大名鼎鼎的 Swoole，其對多種協議的 client 做了底層的協程封裝，幾乎可以做到以同步編程的寫法實現協程異步 IO 的效果。

參考

• Cooperative multitasking using coroutines (in PHP!)
• 在PHP中使用協程實現多任務調度
• PHP 并發 IO 編程之路

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