PHP及Zend Engine的线程安全模型分析

不知道怎么回事总是令人不舒服的，因此我通过阅读源码和查阅有限的资料简要了解一下相关机制，本文是我对研究内容的总结。本文首先解释了线程安全的概念及PHP中线程安全的背景，然后详细研究了PHP的线程安全机制ZTS（Zend Thread Safety）及具体的实现TSRM，研究内容包括相关数据结构、实现细节及运行机制，最后研究了Zend对于单线程和多线程环境的选择性编译问题。

线程安全
线程安全问题，一言以蔽之就是多线程环境下如何安全存取公共资源。我们知道，每个线程只拥有一个私有栈，共享所属进程的堆。在C中，当一个变量被声明在任何函数之外时，就成为一个全局变量，这时这个变量会被分配到进程的共享存储空间，不同线程都引用同一个地址空间，因此一个线程如果修改了这个变量，就会影响到全部线程。这看似为线程共享数据提供了便利，但是PHP往往是每个线程处理一个请求，因此希望每个线程拥有一个全局变量的副本，而不希望请求间相互干扰。早期的PHP往往用于单线程环境，每个进程只启动一个线程，因此不存在线程安全问题。后来出现了多线程环境下使用PHP的场景，因此Zend引入了Zend线程安全机制（Zend Thread Safety，简称ZTS）用于保证线程的安全。

ZTS的基本原理及实现
基本思想
说起来ZTS的基本思想是很直观的，不是就是需要每个全局变量在每个线程都拥有一个副本吗？那我就提供这样的机制：在多线程环境下，申请全局变量不再是简单声明一个变量，而是整个进程在堆上分配一块内存空间用作“线程全局变量池”，在进程启动时初始化这个内存池，每当有线程需要申请全局变量时，通过相应方法调用TSRM（Thread Safe Resource Manager，ZTS的具体实现）并传递必要的参数（如变量大小等等），TSRM负责在内存池中分配相应内存区块并将这块内存的引用标识返回，这样下次这个线程需要读写此变量时，就可以通过将唯一的引用标识传递给TSRM，TSRM将负责真正的读写操作。这样就实现了线程安全的全局变量。下图给出了ZTS原理的示意图：
Thread1和Thread2同属一个进程，其中各自需要一个全局变量Global Var，TSRM为两者在线程全局内存池中（黄色部分）各自分配了一个区域，并且通过唯一的ID进行标识，这样两个线程就可以通过TSRM存取自己的变量而互不干扰。下面通过具体的代码片段看一下Zend具体是如何实现这个机制的。这里我用的是PHP5.3.8的源码。 TSRM的实现代码在PHP源码的“TSRM”目录下。

数据结构
TSRM中比较重要的数据结构有两个：tsrm_tls_entry和tsrm_resource_type。下面先看tsrm_tls_entry。 tsrm_tls_entry定义在TSRM/TSRM.c中：
复制代码代码如下:
typedef struct _tsrm_tls_entry tsrm_tls_entry;

struct _tsrm_tls_entry {
void **storage;
int count;
THREAD_T thread_id;
tsrm_tls_entry *next;
}

每个tsrm_tls_entry结构负责表示一个线程的所有全局变量资源，其中thread_id存储线程ID，count记录全局变量数，next指向下一个节点。storage可以看做指针数组，其中每个元素是一个指向本节点代表线程的一个全局变量。最终各个线程的tsrm_tls_entry被组成一个链表结构，并将链表头指针赋值给一个全局静态变量tsrm_tls_table。注意，因为tsrm_tls_table是一个货真价实的全局变量，所以所有线程会共享这个变量，这就实现了线程间的内存管理一致性。tsrm_tls_entry和tsrm_tls_table结构的示意图如下：
tsrm_resource_type的内部结构相对简单一些：
复制代码代码如下:
typedef struct {
size_t size;
ts_allocate_ctor ctor;
ts_allocate_dtor dtor;
int done;
}

tsrm_resource_type;上文说过tsrm_tls_entry是以线程为单位的（每个线程一个节点），而tsrm_resource_type以资源（或者说全局变量）为单位，每次一个新的资源被分配时，就会创建一个tsrm_resource_type。所有tsrm_resource_type以数组（线性表）的方式组成tsrm_resource_table，其下标就是这个资源的ID。每个tsrm_resource_type存储了此资源的大小和构造、析构方法指针。某种程度上，tsrm_resource_table可以看做是一个哈希表，key是资源ID，value是tsrm_resource_type结构。

实现细节
这一小节分析TSRM一些算法的实现细节。因为整个TSRM涉及代码比较多，这里拣其中具有代表性的两个函数分析。第一个值得注意的是tsrm_startup函数，这个函数在进程起始阶段被sapi调用，用于初始化TSRM的环境。由于tsrm_startup略长，这里摘录出我认为应该注意的地方：
复制代码代码如下:
/* Startup TSRM (call once for the entire process) */
TSRM_API int tsrm_startup(int expected_threads, int expected_resources, int debug_level, char *debug_filename)
{
/* code... */

tsrm_tls_table_size = expected_threads;

tsrm_tls_table = (tsrm_tls_entry **) calloc(tsrm_tls_table_size, sizeof(tsrm_tls_entry *));
if (!tsrm_tls_table) {
TSRM_ERROR((TSRM_ERROR_LEVEL_ERROR, "Unable to allocate TLS table"));
return 0;
}
id_count=0;

resource_types_table_size = expected_resources;
resource_types_table = (tsrm_resource_type *) calloc(resource_types_table_size, sizeof(tsrm_resource_type));
if (!resource_types_table) {
TSRM_ERROR((TSRM_ERROR_LEVEL_ERROR, "Unable to allocate resource types table"));
free(tsrm_tls_table);
tsrm_tls_table = NULL;
return 0;
}

/* code... */

return 1;
}

其实tsrm_startup的主要任务就是初始化上文提到的两个数据结构。第一个比较有意思的是它的前两个参数：expected_threads和expected_resources。这两个参数由sapi传入，表示预计的线程数和资源数，可以看到tsrm_startup会按照这两个参数预先分配空间（通过calloc）。因此TSRM会首先分配可容纳expected_threads个线程和expected_resources个资源的。要看各个sapi默认会传入什么，可以看各个sapi的源码（在sapi目录下），我简单看了一下：
可以看到比较常用的sapi如mod_php5、php-fpm和cgi都是预分配一个线程和一个资源，这样是因为不愿浪费内存空间，而且多数情况下PHP还是运行于单线程环境。这里还可以看到一个id_count变量，这个变量是一个全局静态变量，其作用就是通过自增产生资源ID，这个变量在这里被初始化为0。所以TSRM产生资源ID的方式非常简单：就是一个整形变量的自增。第二个需要仔细分析的就是ts_allocate_id，编写过PHP扩展的朋友对这个函数肯定不陌生，这个函数...