c++ 協程_Swoole 實作協程基本概念和底層原理

協程是什麼

協程可以了解為純使用者态的線程，其通過協作而不是搶占來進行切換，相對于程序或者線程，協程所有的操作都可以在使用者态完成，建立和切換的消耗更低，Swoole 可以為每一個請求建立對應的協程，根據 IO 的狀态來合理的排程協程。

在 Swoole 4.x 中，協程（Coroutine）取代了異步回調，成為 Swoole推薦的程式設計方式。Swoole 協程解決了異步回調程式設計困難的問題，使用協程可以以傳統同步程式設計的方法編寫代碼，底層自動切換為異步 IO，既保證了程式設計的簡單性，又可借助異步 IO，提升系統的并發能力。

注：Swoole 4.x 之前的版本也支援協程，不過 4.x 版本對協程核心進行了重構，功能更加強大，提供了完整的協程+通道特性，帶來全新的 CSP 程式設計模型。

基本使用示例

PHP 版本要求：>= 7.0；
基于 Server 、 HttpServer 、 WebSocketServer 進行開發的時候，Swoole 底層會在 onRequest 、 onReceive 、 onConnect 等事件回調之前自動建立一個協程，在回調函數中即可使用協程 API；
你也可以使用 Coroutine::create 或 go 方法建立協程，在建立的協程中使用協程 API 進行程式設計。

以 Swoole 自帶的 TCP 伺服器

SwooleServer

實作為例，我們可以定義伺服器端實作如下：

$server = new SwooleServer("127.0.0.1", 9501);

// 調用 onReceive 事件回調函數時底層會自動建立一個協程
$server->on('receive', function ($serv, $fd, $from_id, $data) {
    // 向用戶端發送資料後關閉連接配接（在這裡面可以調用 Swoole 協程 API）
    $serv->send($fd, 'Swoole: ' . $data);
    $serv->close($fd);
});
$server->start();

然後我們以協程方式實作 TCP 用戶端如下：

// 通過 go 函數建立一個協程

go(function () {

    $client = new SwooleCoroutineClient(SWOOLE_SOCK_TCP);

    // 嘗試與指定 TCP 服務端建立連接配接，這裡會觸發 IO 事件切換協程，交出控制權讓 CPU 去處理其他事情
    if ($client->connect("127.0.0.1", 9501, 0.5)) {

        // 建立連接配接後發送内容

        $client->send("hello worldn");

        // 列印接收到的消息（調用 recv 函數會恢複協程繼續處理後續代碼，比如列印消息、關閉連接配接）

        echo $client->recv();

        // 關閉連接配接

        $client->close();

    } else {

        echo "connect failed.";
    }
});

底層實作原理

我們以 MySQL 連接配接查詢為例，對 Swoole 協程底層實作做一個簡單的介紹：

$server = new SwooleHttpServer('127.0.0.1', 9501, SWOOLE_BASE);

#1
$server->on('Request', function($request, $response) {
    $mysql = new SwooleCoroutineMySQL();
    #2
    $res = $mysql->connect([
        'host' => '127.0.0.1',
        'user' => 'root',
        'password' => 'root',
        'database' => 'test',
    ]);
    #3
    if ($res == false) {
        $response->end("MySQL connect fail!");
        return;
    }
    $ret = $mysql->query('show tables', 2);
    $response->end("swoole response is ok, result=".var_export($ret, true));
});

$server->start();

在這段代碼中，我們啟動一個基于 Swoole 實作的 HTTP 伺服器監聽用戶端請求，如果有

onRequest

事件發生，則通過基于 Swoole 協程實作的異步 MySQL 用戶端元件對 MySQL 伺服器發起連接配接請求，并執行查詢操作，然後将結果以響應方式傳回給 HTTP 用戶端，下面我們來看一下協程在這段代碼中的應用：

調用 SwooleHttpServer 的 onRequest 事件回調函數時，底層會調用 C 函數 coro_create 建立一個協程（ #1 位置），同時儲存這個時間點的 CPU 寄存器狀态和 ZendVM 堆棧資訊；
調用 mysql->connect 時會發生 IO 操作，底層會調用 C 函數 coro_save 儲存目前協程的狀态，包括 ZendVM 上下文以及協程描述資訊，并調用 coro_yield 讓出程式控制權，目前的請求會挂起（ #2 位置）；
協程讓出程式控制權後，會繼續進入 HTTP 伺服器的事件循環處理其他事件，這時 Swoole 可以繼續去處理其他用戶端發來的請求；
當資料庫 IO 事件完成後，MySQL 連接配接成功或失敗，底層調用 C 函數 coro_resume 恢複對應的協程，恢複 ZendVM 上下文，繼續向下執行 PHP 代碼（ #3 位置）；
mysql->query 的執行過程與 mysql->connect 一樣，也會觸發 IO 事件并進行一次協程切換排程；
所有操作完成後，調用 end 方法傳回結果，并銷毀此協程。

注：更深層次的協程底層實作可以參考 Swoole 官方文檔的介紹。

上面這段代碼我們借助了 Swoole 實作的協程 MySQL 用戶端（Swoole 還提供了很多其他協程用戶端，如 Redis、HTTP等，後面我們會詳細介紹），所有的編碼和之前編寫同步代碼時并沒有任何不同，但是 Swoole 底層會在 IO 事件發生時，儲存目前狀态，将程式控制權交出，以便 CPU 處理其它事件，當 IO 事件完成時恢複并繼續執行後續邏輯，進而實作異步 IO 的功能，這正是協程的強大之處，它可以讓伺服器同時可以處理更多請求，而不會阻塞在這裡等待 IO 事件處理完成，進而極大提高系統的并發性。

協程的适用場景

通過上面這個簡單的示例，我們得出協程非常适合并發程式設計，常見的并發程式設計場景如下：

高并發服務，如秒殺系統、高性能 API 接口、RPC 伺服器，使用協程模式，服務的容錯率會大大增加，某些接口出現故障時，不會導緻整個服務崩潰；
爬蟲，可實作非常強大的并發能力，即使是非常慢速的網絡環境，也可以高效地利用帶寬；
即時通信服務，如 IM 聊天、遊戲伺服器、物聯網、消息伺服器等等，可以確定消息通信完全無阻塞，每個消息包均可即時地被處理。

協程引入的問題

協程再為我們帶來便利的同時，也引入了一些新的問題：

協程需要為每個并發儲存棧記憶體并維護對應的虛拟機狀态，如果程式并發很大可能會占用大量記憶體；
協程排程會增加額外的一些 CPU 開銷。

盡管如此，在處理高并發應用時，使用協程帶來的優勢還是遠遠高于 PHP 預設的同步阻塞機制。

協程 vs 線程

Swoole 的協程在底層實作上是單線程的，是以同一時間隻有一個協程在工作，協程的執行是串行的，這與線程不同，多個線程會被作業系統排程到多個 CPU 并行執行。

一個協程正在運作時，其他協程會停止工作。目前協程執行阻塞 IO 操作時會挂起，底層排程器會進入事件循環。當有 IO 完成事件時，底層排程器恢複事件對應的協程的執行。

在 Swoole 中對 CPU 多核的利用，仍然依賴于 Swoole 引擎的多程序機制。

協程 vs 生成器

一些架構中會使用 PHP 的生成器來實作半自動化的協程，但在實際使用中，開發者需要在涉及協程邏輯的函數調用前增加

yield

關鍵字，這帶來了額外的學習和維護成本，非常容易犯錯，此外 Yield/Generator 代碼風格與傳統的同步風格代碼存在沖突，無法複用已有代碼。

Swoole 協程是全自動化的協程，開發者無需添加任何關鍵字，底層自動實作協程的切換和排程，此外，Swoole 協程風格與傳統的同步風格代碼是一緻的，是以可以複用已有代碼。

使用時的注意事項

程式設計範式

協程之間通訊不要使用全局變量或者引用外部變量到目前作用域，而要使用 Channel （後面會介紹具體使用）
項目中如果有擴充 hook 了 zend_execute_ex 或者 zend_execute_internal 這兩個函數，需要特别注意一下 C 棧，可以使用 co::set 重新設定 C 棧大小

擴充沖突

由于某些跟蹤調試的 PHP 擴充大量使用了全局變量，可能會導緻 Swoole 協程發生崩潰，請關閉這些相關擴充：

xdebug
phptrace
aop
molten
xhprof
phalcon（Swoole協程無法運作在 phalcon 架構中）

嚴重錯誤

由于多個協程是并發執行的，是以以下行為可能會導緻協程出現嚴重錯誤：

不能使用類靜态變量/全局變量儲存協程上下文内容，否則可能導緻變量被污染，要使用 Context 管理上下文
同一時間可能會有很多個請求在并行處理，多個協程共用一個用戶端連接配接的話，就會導緻不同協程之間發生資料錯亂

錯誤和異常處理

在協程程式設計中可直接使用

try/catch

處理異常，但必須在協程内捕獲，不得跨協程捕獲異常。

此外，如果在協程内使用

exit

終止程式執行退出目前協程的話，會抛出

SwooleExitException

異常，你可以在需要的位置捕獲該異常并實作與原生 PHP 一樣的退出邏輯：

go(function () {
    try {
        SwooleCoroutine::sleep(1);  // 模拟 IO 事件讓出控制權
        exit(SWOOLE_EXIT_IN_COROUTINE);
    } catch (SwooleExitException $exception) {
        assert($exception->getStatus() === 1);
        assert($exception->getFlags() === SWOOLE_EXIT_IN_COROUTINE);
        return;
    }
});

注：不能将 go 函數放到 try 語句塊中，這樣就是跨協程捕獲異常了。 以上内容希望幫助到大家， 很多PHPer在進階的時候總會遇到一些問題和瓶頸，業務代碼寫多了沒有方向感，不知道該從那裡入手去提升，對此我整理了一些資料，包括但不限于：分布式架構、高可擴充、高性能、高并發、伺服器性能調優、TP6，laravel，YII2，Redis，Swoole、Swoft、Kafka、Mysql優化、shell腳本、Docker、微服務、Nginx等多個知識點進階進階幹貨需要的可以免費分享給大家 ，需要請戳這裡連結 或者 知乎專欄

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c++ 協程_Swoole 實作協程基本概念和底層原理

c++ 協程_Swoole 實作協程基本概念和底層原理

協程是什麼

基本使用示例

底層實作原理

協程的适用場景

協程引入的問題

協程 vs 線程

協程 vs 生成器

使用時的注意事項

錯誤和異常處理

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