多线程编程 - PHP 实现

前言

前些天帮同事查一个问题,第一次接触到了 PHP 的多线程,原以为 PHP 普遍都是单线程模型,并不适合多线程领域,花些时间翻了几个多线程的项目源码之后,发现 PHP 的多线程也颇有可取之处,活用起来,用来解决某些问题竟然非常适合。

于是找了几篇文章看了下 PHP 多线程 TSRM 机制的实现,也有所收获,详情可以查看下面的参考文章。本文对比多进程介绍了下多线程的优势和适用场景,提出了一种巧用方案,并使用 PHP 代码实现了多线程的常见用法。

文章欢迎转载,但请注明来源:https://cloud.tencent.com/developer/user/1148723/activities, 谢谢。

多线程

线程

首先说下线程:

线程(thread) 是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中,是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务.

使用多线程主要是因为它在执行效率上有很大优势。由于线程是操作系统能够进行调度的最小单位

  • 一个多线程程序比单线程程序被操作系统调度的概率更大,所以多线程程序一般会比单线程程序更高效;
  • 多线程程序的多个线程可以在多核 CPU 的多个核心同时运行,可以将完全发挥机器多核的优势;

同时对比多进程程序,多线程有以下特点:

  • 线程的创建和切换的系统开销都比进程要小,所以一定程度上会比多进程更高效;
  • 线程天生的共享内存空间,线程间的通信更简单,避免了进程IPC引入新的复杂度。

适用场景

多线程的优化是很多,可是无脑使用多线程并不能提升程序的执行效率,因为线程的创建和销毁、上下文切换、线程同步等也是有性能损耗的,耗费时间可能比顺序执行的代码还多。如:

sumSmall是一个从1累加到50000的函数。

上图是在主线程内执行了三次 sumSmall 和三个线程分别执行 sumSmall ,再将结果同步到一个线程的时间对比,我们会发现只在主线程执行的时间反而更短,三个线程创建、切换、同步的时间远远大过了线程异步执行节省的时间。

而函数 sumLarge 从1累加到5000000,下图同一线程执行三次和三个线程执行的耗时:

这次,多线程终于有效率优势了。

是否使用多线程还需要根据具体需求而定,一般考虑以下两种情况:

  • I/O 阻塞会使操作系统发生任务调度,阻塞当前任务,所以代码中 I/O 多的情况下,使用多线程时可以将代码并行。例如多次读整块的文件,或请求多个网络资源。
  • 多线程能充分利用 CPU,所以有多处大计算量代码时,也可以使用多线程使他们并行执行,例如上文中后一个例子。

PHP中的多线程

PHP 默认并不支持多线程,要使用多线程需要安装 pthread 扩展,而要安装 pthread 扩展,必须使用 --enable-maintainer-zts 参数重新编译 PHP,这个参数是指定编译 PHP 时使用线程安全方式。

线程安全

多线程是让程序变得不安分的一个因素,在使用多线程之前,首先要考虑线程安全问题:

线程安全:线程安全是编程中的术语,指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时,能够正确地处理多个线程之间的共享变量,使程序功能正确完成。

在传统多线程中,由于多个线程共享变量,所以可能会导致出现如下问题:

  1. 存在一个全局数组$arr = array('a');;
  2. A 线程获取数组长度为1;
  3. B 线程获取数组长度为1;
  4. A 线程 pop 出数组元素 $a = array_pop($arr); $a = 'a';;
  5. B 线程也 pop 数组元素 $b = array_pop($arr); $a = null;;
  6. 此时 B 线程内就出现了灵异事件,明明数组长度大于0,或没有 pop 出东西;

PHP 实现

PHP 实现的线程安全主要是使用 TSRM 机制对 全局变量和静态变量进行了隔离,将全局变量和静态变量 给每个线程都复制了一份,各线程使用的都是主线程的一个备份,从而避免了变量冲突,也就不会出现线程安全问题。

PHP 对多线程的封装保证了线程安全,程序员不用考虑对全局变量加各种锁来避免读写冲突了,同时也减少了出错的机会,写出的代码更加安全。

但由此导致的是,子线程一旦开始运行,主线程便无法再对子线程运行细节进行调整了,线程一定程度上失去了线程之间通过全局变量进行消息传递的能力。

同时 PHP 开启线程安全选项后,使用 TSRM 机制分配和使用变量时也会有额外的损耗,所以在不需要多线程的 PHP 环境中,使用 PHP 的 ZTS (非线程安全) 版本就好。

类和方法

PHP 将线程 封装成了 Thread 类,线程的创建通过实例化一个线程对象来实现,由于类的封装性,变量的使用只能通过构造函数传入,而线程运算结果也需要通过类变量传出。

下面介绍几个常用的 Thread 类方法:

  • run():此方法是一个抽象方法,每个线程都要实现此方法,线程开始运行后,此方法中的代码会自动执行;
  • start():在主线程内调用此方法以开始运行一个线程;
  • join():各个线程相对于主线程都是异步执行,调用此方法会等待线程执行结束;
  • kill():强制线程结束;
  • isRunning():返回线程的运行状态,线程正在执行run()方法的代码时会返回 true;

因为线程安全的实现,PHP 的多线程开始运行后,无法再通过共享内存空间通信,线程也无法通过线程间通信复用,所以我认为 PHP 的“线程池”并没有什么意义。扩展内自带的Pool 类是一个对多线程分配管理的类,这里也不再多介绍了。

实例代码

下面是一个线程类,用来请求某一接口。接下来根据它写两个多线程的应用实例:

class Request extends Thread {
    public $url;
    public $response;
    public function __construct($url) {
        $this->url = $url;
    }
    public function run() {
        $this->response = file_get_contents($this->url);
    }
}

异步请求

将同步的请求拆分为多个线程异步调用,以提升程序的运行效率。

$chG = new Request("www.google.com");
$chB = new Request("www.baidu.com");
$chG ->start();
$chB ->start();
$chG->join();
$chB->join();

$gl = $chG->response;
$bd = $chB->response;

超时控制

偶然间发现公司网站某一网页上的一块内容时有时无,不知道具体实现,但这给了我使用多线程的灵感:利用线程异步实现快速失败和超时控制。

我们在使用 curl 请求某个地址时,可以通过 CURLOPT_CONNECTTIMEOUT / CURLOPT_TIMEOUT 参数分别设置 curl 的连接超时时间和读取数据超时时间,但总的超时时间不好控制。而且在进行数据库查询时的超时时间无法设置(鸟哥博客:为MySQL设置查询超时)。

这时我们便可以借用多线程来实现此功能:在执行线程类的 start() 方法后,不调用 join() 方法,使线程一直处于异步状态,不阻塞主线程的执行。

此时主线程相当于旗舰,而各子线程相当于巡航舰,旗舰到达某地后不必要一直等待巡航舰也归来,等待一段时间后离开即可,从而避免巡航舰意外时旗舰白白空等。

代码:

$chG = new Request("www.google.com");
$chB = new Request("www.baidu.com");
$chG->start();
$chB->start();
$chB->join();
// 此处不对chG执行join方法

sleep(1); // sleep一个能接受的超时时间
$gl = $chG->response;
$bd = $chB->response;
$bd->kill();
if (!$gl) {
    $gl = ""; // 处理异常,或在线程类内给$gl一个默认值
}

总结

PHP 对多线程进行的封(yan)装(ge),让人用线程用得非常不尽兴。虽然安全,也保持 PHP 简单易用的一贯风格,却无法完全发挥多线程的能力。不过各个语言各有特色和侧重点,也不必强求,爱她就要包容她 =_=。

最近在重学操作系统和 Linux 内核方面的知识,对程序的认知有了很大提升,感觉非常有必要总结一下,敬请期待。

关于本文有什么问题可以在下面留言交流,如果您觉得本文对您有帮助,可以点击下面的 推荐 支持一下我,博客一直在更新,欢迎 关注

参考:

深入研究PHP及Zend Engine的线程安全模型

PHP高级编程之多线程

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