NIO、BIO、AIO與PHP實現
前言
最近看到NIO，AIO，Netty，Promise話題很熱，我作為一個phper也想來湊湊熱鬧，湊著湊著發現周圍怎么都是javaer，jser。那么PHP能做NIO，AIO么？
什么BIO、NIO、AIO
BIO 同步阻塞I/O。
有小伙伴又要問了啥叫 同步，啥叫阻塞啊？
同步/異步 阻塞/非阻塞
同步: 兩個同步任務相互依賴，并且一個任務必須以依賴于另一任務的某種方式執行。 比如在A->B事件模型中，你需要先完成 A 才能執行B。 再換句話說，同步調用種被調用者未處理完請求之前，調用不返回，調用者會一直等待結果的返回。
異步: 兩個異步的任務完全獨立的，一方的執行不需要等待另外一方的執行。再換句話說，異步調用種一調用就返回結果不需要等待結果返回，當結果返回的時候通過回調函數或者其他方式拿著結果再做相關事情，
阻塞: 阻塞就是發起一個請求，調用者一直等待請求結果返回，也就是當前線程會被掛起，無法從事其他任務，只有當條件就緒才能繼續。
非阻塞: 非阻塞就是發起一個請求，調用者不用一直等著結果返回，可以先去干其他事情。
以上就是這四個詞匯的解釋，那么放到計算機IO上，比較接地氣的解釋
BIO （Blocking I/O)
那么我們拿快遞攬件來舉例，一個快遞公司，有一部分工作是攬件，它的工作模式是只能一個一個的攬件，你要寄快遞，必須排隊，一個一個的來，這就是 同步 。好不容易輪到你了，你把快遞一扔給他，他還讓給你等著，快遞工作人員說，我們這后面還有些信息要錄入，快遞要檢查，必須等我們快遞公司檢查完畢后，你才能離開，這叫 阻塞 。
NIO （No-Blocking I/O）
同步非阻塞的I/O
繼續啊，拿快遞公司舉例。這個快遞公司發現有些用戶在后面排隊，排著排著，太久了就去隔壁快遞公司了，怎么辦呢？快遞公司想了個辦法，置辦了一個發號器和一批收納盒。來一個客戶，就把快遞放在一個收納盒里，再給用戶一個編號，此時再來一個用戶，不論前面一個的快遞是否檢查完畢，還是給他一個收納盒，發一個編號。不同客戶之間不排隊，一來就被受理了，這就是 非阻塞。 我們再來看看內部，快遞呢還是一個個地錄入信息，X光檢查，這樣就是 同步 運行的，等待快遞人員檢查完畢叫號，客戶拿到回執才能離開快遞點。
AIO （Asynchronous I/O）
異步非阻塞IO
也有Javaer叫他 NIO2，快遞公司攬件又升級了，做了一個快遞柜，客戶又寄件需求，來了就放入快遞柜，然后通過手機掃碼關注這個柜子的動態，客戶就可以離開了，此時服務被受理，并能馬上離開。這就是 非阻塞 。等到快遞人員來攬件時，會將柜子里面的寄件一并取走，快遞點集中一起處理這些快遞件，發現有問題的件，不是立即停下手中的活等待客戶來出來，而是放一旁通知客戶來，然后繼續處理下一個快遞，這就是 異步。
異步 阻塞 IO
同步/異步 阻塞/非阻塞，這4個名詞，兩兩組和，還有一個就是 異步/阻塞。
那么我們還是先把例子舉出來吧，還是這個快遞點，來了一批客戶來寄口罩到國外，由于有很大的可能會通不過檢查，所以，快遞點把大家都留了下來。等所有的 寄件 都檢查完了在統一給大家發送回執單，這就是 阻塞 。快遞人員檢查寄件時，發現問題不是立馬通知客戶來處理，而已放到一邊，繼續處理下一個。 這就是 異步。
偽異步 IO
這種模式，底層實現是多個 同步阻塞的BIO， 同時運行。
最后總結一下：
阻塞與非阻塞指的的是當不能進行讀寫（網卡滿時的寫/網卡空的時候的讀）的時候， I/ O操作立即返回還是阻塞；同步異步指的是，當數據已經 ready 的時候，讀寫操作是同步讀還是異步讀，階段不同而已。
區別
異步/同步在計算機區別
以上是一些舉例，只是幫助大家理解記憶，接下來我們看看計算上的實現。
最初計算機提供的Web服務，采用的是 CGI 協議，就是純正的 BIO 模式。一個cgi進程監聽一個端口，處理完一個請求，才能接收下一個http請求。這就是同步。
而客戶的實際體驗式是"異步"的，那是因為后來優化了，CGI 程序能夠自我fork進程的達到同時響應多個http請求的效果。
注意，我們這里討論的基礎是 單進程 ，上的 異步/同步。
阻塞/非阻塞在計算機區別
這里拿購物流程舉例，用戶的下單，需要做如下操作：
- 商品可售否
- 庫存數量
- 用戶余額
- 觸發哪些優惠規則
- 獎券有效性
- ...
按照一般做法就是一步步驗證，上一個檢查完了，再進行下一個檢查，這就是 阻塞 的方式。
那么非阻塞方式如何做呢，假設在微服務環境中，商品，庫存，獎券，促銷都是獨立的系統，調用商品服務，發起商品可售檢查請求；不等商品服務回復，繼續調用庫存服務，發起商品可售庫存請求；緊接著依次發出...檢查請求，這樣5個檢查項目的請求同時發起，最后，我等他們所有的請求都回復我，再來一起來校驗是否所有的檢查都通過了。就這種發起請求不等響應，就繼續做下一件事的叫 非阻塞 。
PHP 能做什么
PHP 與 BIO 實現
PHP已經實現啦，這是最基本的好么。但平時測試時卻感覺是不阻塞啊，好，我們來一起做個實驗，將nginx和php-fpm的進程限制為1個試試。php-fpm就是 多進程的 BIO，現在我們強項改成單進程。
- 調整Nginx配置
調整 /etc/nginx/nginx.conf 文件:
- ## 把nginx worker數量設置為1
- worker_processes 1;
好了之后我們通過ps命令檢查下
- 調整PHP配置
調整 /etc/php/php-fpm/conf.d/www.conf 文件：
- pm = static
- pm.max_children = 1
- pm.start_servers = 1
- pm.min_spare_servers = 1
- pm.max_spare_servers = 1
找到這幾個配置都改為如上數值。
最后的結果如下
我在index.php代碼里面加入第一行就加入了sleep。
- <?php
- sleep(5);
我們同時打開兩個網頁，一起訪問試試
通過Firefox 抓包可以發現，其中一個耗時5s，另一個頁面耗時9.3s，（0.7s誤差是我手速慢了） 這就是 BIO。
好的，我們再做一個實驗。把以上nginx，php-fpm配置中1改成2.然后我們打開三個網頁，同時訪問試試看。
結果是有兩個網頁耗時5s，一個是9s，也就是說服務器同時處理了2個請求，第三個請求等待了4s才被處理。這就是 多線程-BIO，一個服務同時接待的客戶數量取決與worker的數量。
PHP 與 NIO 實現
我們寫的大部分php-fpm代碼以及第三方框架都是阻塞的。PHP也是支持非阻塞IO編程的。
這里其他博主也用PHP原生代碼實現NIO編程： PHP回顧之socket編程。
I/O 多路復用
在這段小Demo中，PHP 實現 NIO 核心兩個函數就是 stream_set_blocking、stream_select()。
通過以上源碼，發現原生的NIO實現還是比較繁瑣，不易讀的。同時，我就想問一句了，這個 NIO 就是為了實現一個 socket server 么，我們來看看Netty 官網。打開Netty首頁，它是這樣描述自己的
Netty is a NIO client server framework which enables quick and easy development of network applications such as protocol servers and clients. It greatly simplifies and streamlines network programming such as TCP and UDP socket server.
第一句話：Netty是一個 NIO 客戶端 服務框架, 能快速輕松地開發協程客戶端。第二句話：簡化了網絡編程，如創建TCP和UDP套接字服務。
好，重點是什么？第一句話就是重點——開發 協程客戶端！回到我們業務上，剛剛舉了一個例子，購物到下單，有很多個流程需要做檢查，按照一般的BIO那么程序時序圖如下：
從上可以看到，三個檢查依次分開執行。那么客戶的等待時間是大于，庫存檢查時間加上，產品檢查時間加上，促銷檢查時間 的。
假設, 庫存，產品，促銷是三個微服務，然后購物車服務用 NIO客戶端，與這三個微服務交互，那么會是怎樣的效果呢：
這里，我們發起檢查請求時，是按照順序發起的，但不等第一個服務返回檢查結果就開始發起下一個檢查請求。最后三個服務都返回后，綜合結果，返回給用戶。那么這三個檢查的耗時，就等于一個服務（耗時最長的那個服務）的檢查耗時。大大減少得了購物車服務響應時間。
我看到一些 Netty、 NodeJS、Swoole 等教程 通篇都在講如何實現一個WebSocket服務，TCP服務或者是Http服務。對，這是最基礎的，但 NIO 框架核心優勢在開發一個非阻塞客戶端！這才是它的優勢，這才是和 BIO 編程差異化所在。
NIO 客戶端
看到以上兩個時序圖，還是給大家演示一下用PHP原生代碼實現一個 PHP-BIO 。 PHP Simple NIO Server
建議大家點擊鏈接，把源碼git clone https://gitee.com/xupaul/php-nio-server 到本地運行一下，再來看截圖更容易理解。
這三個所依賴的服務響應耗時，我設置為：inventory: 4s, product: 2s, promo:6s
藍色框和黃色框標注了兩個請求，我們主要看參數 noBlocking： true/false 的不同, 第一個是非阻塞方式請求， 可以看到共耗時6s，第二個共耗時12s！ （第三個為啥和第二個耗時不一樣——6s這個留給大家去研究）。顯而易見得非阻塞IO的優勢。不過這代碼結構就不那么友好了，看到代碼 nio_server.php 中，有兩種請求方式，阻塞代碼流程還能看懂檢查完成后就綜合結果返回，而非阻塞方式中，發起三個檢查后程序流程就開始進入到handleMessage，代碼進入哪個分支，取決于 socket_read 的消息，不運行起程序來，沒有文檔，很難搞懂整個程序流程。
那么，有沒有什么什么方便的php類庫，讓我們編碼更友好一點呢，這里介紹下 ReactPHP
這里我用ReactPHP重新實現 nio_server, 代碼在這里
這個回調代碼寫起來有點 NodeJS 的味道呢，當你的PHP沒啟用 libev 之類的拓展時，ReactPHP內部Loop依然用的 stream_select(), 可以看源碼 ~/react/event-loop/src/StreamSelectLoop.php@290 .
執行效果如下：
能同時發起請求這個功能，那還得提一下 curl_multi， 它能同時發起多個curl請求，最后不斷檢查是否所有的curl請求已完成。這只是在發起多個Http curl請求階段做到 非阻塞 運行。
還有個拓展pThreads，能夠實現多線程，不過對PHP編譯參數有限制，需要在線程安全的模式下運行。
pThreads 現在已不是PHP官方所推薦使用的拓展了，當然了這種就屬于偽異步IO范疇了
PHP 與 AIO
PHP 異步&非阻塞 編碼。
此處， 非阻塞I/O 系統調用( nonblocking system call ) 和 異步I/O系統調用 （asychronous system call）的區別是：
- 一個非阻塞I/O 系統調用 read() 操作立即返回的是任何可以立即拿到的數據， 可以是完整的結果， 也可以是不完整的結果， 還可以是一個空值。
- 而異步I/O系統調用 read() 結果必須是完整的， 但是這個操作完成的通知可以延遲到將來的一個時間點。
- <?php
- /**
- * 消息處理
- */
- function handleMessage() {
- global $changed, $clients, $cartCheck;
- foreach ($changed as $key => $client) {
- while (true) {
- // read socket data
- $msg = @fread($client, 1024);
- // $msg = 1;
- if ($msg) {
- // application process
- } else {
- if (feof($client)) {
- // TODO check data eof
- }
- break;
- }
可以看到，在文件~/nio_server.php 中， 雖然設置了 stream_set_blocking false， 但是在209行的 fread() , 這是在一個循環里讀，這是一個阻塞讀取。這的系統函數的響應速度是受系統IO影響的。
而異步調用中，當有I/O事件時，系統會將數據復制到用戶內存中，也就是準備好數據，再通知到用戶程序。
那么原生PHP顯然是不支持的，這里呢就要引入PHP拓展，就是 Event，或者 Ev 拓展。這篇博客主要講 Event。
Event 拓展是基于 libevent 庫封裝而來，而 Ev 拓展是基于 libev 庫封裝而來。 通過PHP接口，和C庫的接口就能看到他們之間的聯系，所以，如果通過PHP文檔找不到相關資料可以去，看看C庫的文檔。而 Libevent 年久失修，不推薦大家使用。
這里放上用Event實現的Tcp Server demo
在用Event做這個demo中，我用到了EventBuffer ，讀、寫都和Buffer交互, Buffer數據是用戶態數據，不會等待系統I/O或被阻塞，避免了程序耗時在I/O數據拷貝上。由此PHP 也能實現 AIO 程式，提高CPU利用率。
講到這里，就會感覺這個PHP的AIO有些牽強了，我這找了其他博主的論點來幫助大家理解，這兩張圖展示了 用戶程序，與內核采用 分阻塞 和 異步 交互時的異同。
上面是非阻塞IO，下面是異步IO。中間的區別就是非阻塞IO的應用，需要不斷的去訪問內核獲取數據（當然了，每一次訪問都是有求必應，能取到數據），但不一定能取完; 而異步IO的特點就是，你告訴內核取數據，取完整了，我再一起發給應用程序。這就是Linux對異步IO的定義。
那么再看到我們的Demo，這是一個簡單TCP server，一個TCP請求系統是能知道一個數據的包大小的，是否接收完畢，這是傳輸層要做的。而我們的應用層面，是接收到數據還要做合并，分包，以及數據轉碼。 這就和 AIO 數據結果必須是完整的，概率有些出入，（在系統層面顯然是完整的） . 在應用層面呢，一次性收到的不一定是完整的數據，那么就還需要做額外代碼來解決合包，分包，沾包。這就是AIO實現Tcp Server的需要問題。
為了解決以上問題，就需要自定義TCP通訊協議。相當于自己開發RPC框架了。
那我們來看看Http呢，在應用層面有明確公開的協議(協議有頭無尾，標明了每次請求具體長度)，并有豐富的實現。這就是一個非常適合采用AIO編程協議。而PHP的Event拓展，恰好有EventHttp實現。
話不多說，先上 Demo。
- <?php
- ...
- /**
- * event http 請求回調函數
- *
- * @param \EventHttpRequest $req Http請求對象
- */
- function _http_about($req) {
- echo __METHOD__, PHP_EOL;
- // print request URL
- echo "URI: ", $req->getUri(), PHP_EOL;
- // print request's headers
- echo "Input headers:"; var_dump($req->getInputHeaders());
- echo "\n >> Sending reply ...";
- /**
- * @var \EventBuffer $buf
- */
- $buf = $req->getOutputBuffer();
- $buf->add("It's about Event http server");
- $req->sendReply(200, "OK", $buf);
- echo "OK\n";
- }
這里是一個回調函數，入參數就是一個由 EventHttp 封裝的http請求對象。這就滿足了以上 調用時非阻塞，數據完全準備好后，再通知回調——異步I/O。好，借助Event，PHP就實現了AIO.
結語
關于性能提升，這就不做壓測了，主要論證PHP實現NIO、AIO 的可行性。也實際給大家展示了幾個Demo, 簡單展示了如何寫異步,非阻塞程序。可以看到 異步編程 對大家的要求是比較高的，當需要發起 IO 操作，都要用非阻塞方式調用，不然就會阻塞整個進程，而純粹的異步編程就是單進程，阻塞后該服務就不能響應新的請求。同時呢，我們常用PDO，mysqli，Redis這些不得不用的拓展，也只提供了阻塞讀的接口。而當前PHP環境中，可以說“幾乎所有”的第三方框架，都是阻塞編碼，如果你的項目中使用了其他框架，那么你寫的代碼沒問題，不保證依賴的第三方框架阻塞方式請求 I\O. 所以，一般 PHP 異步編程，都會采用多進程異步，讓異步來提高每個請求的響應速度，如果進程阻塞，就讓其他空閑的進程處理新進入的請求。
以上，希望大家通過文章能了解 異步/同步、阻塞/非阻塞區別，以及對PHP異步、非阻塞編程。
