多线程编程 - PHP 实现

淡淡的烟草味﹌ 2024-04-17 05:43 3阅读 0赞

# 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。

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# 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。

![format_png][]

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：

![format_png 1][]

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。

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# 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。

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# 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][MySQL]）。

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
    }

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### 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。

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参考：

[深入研究PHP及Zend Engine的线程安全模型][PHP_Zend Engine]

[PHP高级编程之多线程][PHP]

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[MySQL]: http://www.laruence.com/2011/04/27/1995.html
[PHP_Zend Engine]: http://blog.codinglabs.org/articles/zend-thread-safety.html
[PHP]: http://www.netkiller.cn/journal/php.thread.html