深入剖析 Web 服务器与 PHP 应用的通信机制-掌握 CGI和FastCGI 协议的运行原理

身为一名使用 PHP 语言开发后端服务的程序猿,我们每天都和 PHP 以及 Web 服务器产生无数次的亲密接触。得益于它们,我们才能够如此快速的构建出令人陶醉的 Web 产品。

尽管我们已经和 Web 服务器和 PHP 建立起深厚的友谊,但你知道它们之间为何能够配合的如此默契么?

这一切都需要从 CGI(Common Gateway Interface:通用网关接口)协议说起。但是请不要对 CGI 协议产生任何的恐惧心理,它并非什么特别复杂的协议,如果你对它不甚了解,可能的原因或许是你还有花一点小心思来学习它。

所以,你应该明白,现在你应该抽出 20 多分钟仔细的研究一下: Web 服务器与 PHP 应用之间是如何进行通信的这个问题。

介绍

我们知道 PHP 自 5.4 起为我们内置的 Web 服务器。不过在此之前的版本(或者不使用这个内置服务器时),我们就需要使用其他的 Web 服务器,通常是 Nginx 或者 Apache 这两块 Web 服务器,来部署我们的 PHP 应用。

这就涉及一个问题,当用户发起一个 HTTP 请求后,我们的 PHP 应用程序在处理这个请求时并没有直接的解析这个 HTTP 协议,而是可以直接从\$GET\$POST\$_SERVER等全局变量中,获取到用户请求数据和其它系统环境。这究竟又是为何呢?

要想整明白这个问题,我们就不得不需要整明白一个问题:CGI 协议

CGI 协议同 HTTP 协议一样是一个「应用层」协议,它的功能是为了解决 Web 服务器与 PHP 应用(或其他 Web 应用)之间的通信问题。

既然它是一个「协议」,换言之它与语言无关,即只要是实现类 CGI 协议的应用就能够实现相互的通信。

深入 CGI 协议

我们已经知道了 CGI 协议是为了完成 Web 服务器和应用之间进行数据通信这个问题。那么,这一节我们就来看看究竟它们之间是如何进行通信的。

简单来讲 CGI 协议它描述了 Web 服务器和应用程序之间进行数据传输的格式,并且只要我们的编程语言支持标准输入(STDIN)、标准输出(STDOUT)以及环境变量等处理,你就可以使用它来编写一个 CGI 程序。

CGI 的运行原理

当用户访问我们的 Web 应用时,会发起一个 HTTP 请求。最终 Web 服务器接收到这个请求。

Web 服务器创建一个新的 CGI 进程。在这个进程中,将 HTTP 请求数据已一定格式解析出来,并通过标准输入和环境变量传入到 URL 指定的 CGI 程序(PHP 应用 $_SERVER)。

Web 应用程序处理完成后将返回数据写入到标准输出中,Web 服务器进程则从标准输出流中读取到响应,并采用 HTTP 协议返回给用户响应。

一句话就是 Web 服务器中的 CGI 进程将接收到的 HTTP 请求数据读取到环境变量中,通过标准输入转发给 PHP 的 CGI 程序;当 PHP 程序处理完成后,Web 服务器中的 CGI 进程从标准输出中读取返回数据,并转换回 HTTP 响应消息格式,最终将页面呈献给用户。然后 Web 服务器关闭掉这个 CGI 进程。

可以说 CGI 协议特别擅长处理 Web 服务器和 Web 应用的通信问题。然而,它有一个严重缺陷,对于每个请求都需要重新 fork 出一个 CGI 进程,处理完成后立即关闭。

CGI 协议的缺陷

每次处理用户请求,都需要重新 fork CGI 子进程、销毁 CGI 子进程。

一系列的 I/O 开销降低了网络的吞吐量,造成了资源的浪费,在大并发时会产生严重的性能问题。

深入 FastCGI 协议

从功能上来讲,CGI 协议已经完全能够解决 Web 服务器与 Web 应用之间的数据通信问题。但是由于每个请求都需要重新 fork 出 CGI 子进程导致性能堪忧,所以基于 CGI 协议的基础上做了改进便有了 FastCGI 协议,它是一种常驻型的 CGI 协议。

本质上来将 FastCGI 和 CGI 协议几乎完全一样,它们都可以从 Web 服务器里接收到相同的数据,不同之处在于采取了不同的通信方式。

再来回顾一下 CGI 协议每次接收到 HTTP 请求时,都需要经历 fork 出 CGI 子进程、执行处理并销毁 CGI 子进程这一系列工作。

而 FastCGI 协议采用进程间通信(IPC)来处理用户的请求,下面我们就来看看它的运行原理。

FastCGI 协议运行原理

FastCGI 进程管理器启动时会创建一个 主(Master) 进程和多个 CGI 解释器进程(Worker 进程),然后等待 Web 服务器的连接。

Web 服务器接收 HTTP 请求后,将 CGI 报文通过套接字(UNIX 或 TCP Socket)进行通信,将环境变量和请求数据写入标准输入,转发到 CGI 解释器进程。

CGI 解释器进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一连接返回给 Web 服务器。

CGI 解释器进程等待下一个 HTTP 请求的到来。

为什么是 FastCGI 而非 CGI 协议

如果仅仅因为工作模式的不同,似乎并没有什么大不了的。并没到非要选择 FastCGI 协议不可的地步。

然而,对于这个看似微小的差异,但意义非凡,最终的结果是实现出来的 Web 应用架构上的差异。

CGI 与 FastCGI 架构

在 CGI 协议中,Web 应用的生命周期完全依赖于 HTTP 请求的声明周期。

对每个接收到的 HTTP 请求,都需要重启一个 CGI 进程来进行处理,处理完成后必须关闭 CGI 进程,才能达到通知 Web 服务器本次 HTTP 请求处理完成的目的。

但是在 FastCGI 中完全不一样。

FastCGI 进程是常驻型的,一旦启动就可以处理所有的 HTTP 请求,而无需直接退出。

再看 FastCGI 协议

通过前面的讲解,我们相比已经可以很准确的说出来FastCGI 是一种通信协议这样的结论。现在,我们就将关注的焦点挪到协议本身,来看看这个协议的定义。

同 HTTP 协议一样,FastCGI 协议也是有消息头和消息体组成。

消息头信息

主要的消息头信息如下:

Version:用于表示 FastCGI 协议版本号。

Type:用于标识 FastCGI 消息的类型 - 用于指定处理这个消息的方法。

RequestID:标识出当前所属的 FastCGI 请求。

Content Length: 数据包包体所占字节数。

消息类型定义

BEGIN_REQUEST:从 Web 服务器发送到 Web 应用,表示开始处理新的请求。

ABORT_REQUEST:从 Web 服务器发送到 Web 应用,表示中止一个处理中的请求。比如,用户在浏览器发起请求后按下浏览器上的「停止按钮」时,会触发这个消息。

END_REQUEST:从 Web 应用发送给 Web 服务器,表示该请求处理完成。返回数据包里包含「返回的代码」,它决定请求是否成功处理。

PARAMS:「流数据包」,从 Web 服务器发送到 Web 应用。此时可以发送多个数据包。发送结束标识为从 Web 服务器发出一个长度为的空包。且PARAMS中的数据类型和 CGI 协议一致。即我们使用\$_SERVER获取到的系统环境等。

STDIN:「流数据包」,用于 Web 应用从标准输入中读取出用户提交的 POST 数据。

STDOUT:「流数据报」,从 Web 应用写入到标准输出中,包含返回给用户的数据。

Web 服务器和 FastCGI 交互过程

Web 服务器接收用户请求,但最终处理请求由 Web 应用完成。此时,Web 服务器尝试通过套接字(UNIX 或 TCP 套接字,具体使用哪个由 Web 服务器配置决定)连接到 FastCGI 进程。

FastCGI 进程查看接收到的连接。选择「接收」或「拒绝」连接。如果是「接收」连接,则从标准输入流中读取数据包。

如果 FastCGI 进程在指定时间内没有成功接收到连接,则该请求失败。否则,Web 服务器发送一个包含唯一的RequestIDBEGIN_REQUEST类型消息给到 FastCGI 进程。后续所有数据包发送都包含这个RequestID。 然后,Web 服务器发送任意数量的PARAMS类型消息到 FastCGI 进程。一旦发送完毕,Web 服务器通过发送一个空PARAMS消息包,然后关闭这个流。 另外,如果用户发送了 POST 数据 Web 服务器会将其写入到标准输入(STDIN)发送给 FastCGI 进程。当所有 POST 数据发送完成,会发送一个空的标准输入(STDIN)来关闭这个流。

同时,FastCGI 进程接收到BEGINREQUEST类型数据包。它可以通过响应ENDREQUEST来拒绝这个请求。或者接收并处理这个请求。如果接收请求,FastCGI 进程会等待接收所有的PARAMS标准输入数据包。 然后,在处理请求并将返回结果写入标准输出(STDOUT)流。处理完成后,发送一个空的数据包到标准输出来关闭这个流,并且会发送一个END_REQUEST类型消息通知 Web 服务器,告知它是否发生错误异常。

为什么需要在消息头发送 RequestID 这个标识?

如果是每个连接仅处理一个请求,发送RequestID则略显多余。

但是我们的 Web 服务器和 FastCGI 进程之间的连接可能处理多个请求,即一个连接可以处理多个请求。所以才需要采用数据包协议而不是直接使用单个数据流的原因:以实现「多路复用」。

因此,由于每个数据包都包含唯一的RequestID,所以 Web 服务器才能在一个连接上发送任意数量的请求,并且 FastCGI 进程也能够从一个连接上接收到任意数量的请求数据包。

另外我们还需要明确一点就是 Web 服务器 与 FastCGI 进程间通信是无序的。即使我们在交互过程中看起来一个请求是有序的,但是我们的 Web 服务器也有可能在同一时间发出几十个BEGIN_REQUEST类型的数据包,以此类推。

PHP-FPM

其实讲解完 CGI 和 FastCGI 协议,基本上我们就已经研究完 「Web 服务器与 PHP 应用之间的通信机制」这个问题了。但是对于我们 PHP 软件工程师来讲,可能还会遇到「什么是 PHP-FPM」及其相关问题。这里我们一并来稍微讲解一下。

PHP-FPM 是 FastCGI 进程管理器(PHP FastCGI Process Manager)(http://php.net/manual/zh/install.fpm.php),用于替换 PHP 内核的 FastCGI 的大部分附加功能(或者说一种替代的 PHP FastCGI 实现),对于高负载网站是非常有用的。

下面是官网中获取到的它所支持的特性:

支持平滑停止 / 启动的高级进程管理功能;

可以工作于不同的 uid/gid/chroot 环境下,并监听不同的端口和使用不同的 php.ini 配置文件(可取代 safe_mode 的设置);

stdout 和 stderr 日志记录;

在发生意外情况的时候能够重新启动并缓存被破坏的 opcode;

文件上传优化支持;

"慢日志" - 记录脚本(不仅记录文件名,还记录 PHP backtrace 信息,可以使用 ptrace 或者类似工具读取和分析远程进程的运行数据)运行所导致的异常缓慢;

fastcgifinishrequest() - 特殊功能:用于在请求完成和刷新数据后,继续在后台执行耗时的工作(录入视频转换、统计处理等);

动态/静态子进程产生;

基本 SAPI 运行状态信息(类似 Apache 的 mod_status);

基于 php.ini 的配置文件。

那么 PHP-FPM 是如何工作的呢?

PHP-FPM 进程管理器有两种进程组成,一个 Master 进程和多个 Worker 进程。Master 进程负责监听端口,接收来自 Web 服务器的请求,然后指派具体的 Worker 进程处理请求;worker 进程则一般有多个 (依据配置决定进程数),每个进程内部都嵌入了一个 PHP 解释器,用来执行 PHP 代码。

Nginx 服务器如何与 FastCGI 协同工作

Nginx 服务器无法直接与 FastCGI 服务器进行通信,需要启用ngx_http_fastcgi_module模块进行代理配置,才能将请求发送给 FastCGI 服务。

其中,包括我们熟知的配置指令:

fastcgi_pass 用于设置 FastCGI 服务器的 IP 地址(TCT 套接字)或 UNIX 套接字。

fastcgi_param 设置传入 FastCGI 服务器的参数。

你可以到 PHP FastCGI 实例教程 (https://www.nginx.com/resources/wiki/start/topics/examples/phpfcgi/)学习一些基本使用。

总结

到这里我们基本就学习完 CGI、FastCGI、PHP-FPM以及 Nginx 服务器与 FastCGI 服务通信原理。一句话:

CGI 和 FastCGI 是一种协议和 HTTP 协议一样位于应用层,与语言无关;PHP-FPM 是一种 FastCGI 协议的实现,能够管理 FastCGI 进程。

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  • 原文链接:https://kuaibao.qq.com/s/20180730B08K0900?refer=cp_1026
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