Workerman中你必須知道的幾個概念

下面由workerman使用教學專欄來介紹關於Workerman中你必須知道的幾個概念，希望對需要的朋友有幫助！

Workerman是純PHP開發的開源高效能的PHP socket 服務框架。它不是一個MVC框架，而是一個更底層更通用的socket服務框架，你可以用它來開發tcp代理、梯子代理、做遊戲伺服器、郵件伺服器、ftp伺服器。

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實際上Workerman類似一個PHP版本的nginx，核心也是多進程 Epoll 非阻塞IO。 Workerman每個行程能維持上萬並發連線。由於本身常住內存，不依賴Apache、nginx、php-fpm這些容器，擁有超高的效能。

同時支援TCP、UDP、UNIXSOCKET，支援長連接，支援Websocket、HTTP、WSS、HTTPS等通訊協以及各種自訂協定。擁有定時器、非同步socket客戶端、非同步Mysql、非同步Redis、非同步Http、非同步訊息佇列等眾多高效能元件。

首先需要了解幾個核心概念，1.多進程2.Epoll 3.非阻塞IO

1、多進程：

首先什麼是進程呢，一個進程包含了程式碼、資料和分配給進程的資源（記憶體），在電腦系統裡直觀地說一個進程就是一個PID。作業系統保護行程空間不受外部行程幹擾，也就是一個行程不能存取到另一個行程的記憶體。

有時候進程間需要進行通信，這時可以使用作業系統提供進程間通訊機制。通常情況下，執行一個可執行檔案作業系統會為其建立一個進程以供它運行。

但如果該執行檔是基於多進程設計的話，作業系統會在最初的進程上​​創建出多個進程出來，這些進程間執行的程式碼是一樣，但執行結果可能是一樣的，也可能是不一樣的。

為什麼需要多進程？ 最直觀的想法是，如果作業系統支援多核心的話，那麼一個執行檔可以在不同的核心上跑；即使是非多核心的，在一個行程在等待I/O操作時另一個行程也可以在CPU上跑，提高CPU利用率、程式的效率。

在Linux系統上可以透過fork()來在父行程中建立出子程序。一個行程呼叫fork()後，系統會先給新行程分配資源，例如儲存資料和程式碼空間。然後把原來進程的所有值、狀態都複製到新的進程裡，只有少數的值與原來的進程不同，以區分不同的進程。

fork()函數會回傳兩次，一次給父行程（傳回子程序的pid或fork失敗訊息），一次給子程序（回傳0）。至此，兩個進程分道揚鑣，各自運作在系統裡。

2、非阻塞IO：

首先什麼是IO，也就是input與output的操作。網路IO的本質是socket的讀取，socket在linux系統被抽象化為流，IO可以理解為對流的操作。對於一次IO存取（以read舉例），資料會先被拷貝到作業系統核心的緩衝區中，然後才會從作業系統核心的緩衝區拷貝到應用程式的位址空間。

所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：

第一階段（等待資料）：等待資料準備 (Waiting for the data to be ready)。

第二階段（拷貝資料）：將資料從核心拷貝到進程中(Copying the data from the kernel to the process)

對於socket流（即IO）而言，

第一步：通常涉及等待網路上的資料分組到達，然後複製到核心的某個緩衝區。

第二步：把資料從核心緩衝區複製到應用程式緩衝區。

網路IO的模型大致有以下幾種：

同步模型（synchronous IO）

阻塞IO（bloking IO）資源不可用時，IO請求一直阻塞，直到回饋結果（有資料或逾時）。在linux中，預設所有的socket都是blocking，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段（等待資料和拷貝資料兩個階段）都被block了。

非阻塞IO（non-blocking IO）資源不可用時，IO請求離開返回，返回資料標識資源不可用。在linux中，如果資料還沒準備好，那麼它就不會block使用者進程，核心馬上回傳給進程，說明這個指令不能立即滿足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。因此非阻塞就是使用輪詢的（polling）方式來實現。

多路復用IO（multiplexing IO） IO multiplexing就是我們說的select，poll，epoll，有些地方也稱這種IO方式為event driven IO。 select/epoll的好處就在於單一process就可以同時處理多個網路連線的IO。

它的基本原理就是select，poll，epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知用戶進程。在IO multiplexing Model中，實際中，對於每一個socket，一般都設定為non-blocking。

但是，整個使用者的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函數block，而不是被socket IO給block。所以IO多工是阻塞在select，epoll這樣的系統呼叫之上，而沒有阻塞在真正的I/O系統呼叫如recvfrom之上。

訊號驅動IO（signal-driven IO）

非同步IO（asynchronous IO）使用者進程發起read作業之後，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之後，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產生任何block。

然後，kernel會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到用戶內存，當這一切都完成之後，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它read操作完成了。

3、Epoll : epoll現在就很好理解了，epoll就是Linux核心為處理大批量檔案描述符而作了改進的poll，是Linux下多路復用IO介面select/poll的增強版本，它能顯著提高程式在大量並發連線中只有少量活躍的情況下的系統CPU利用率。

PS.幾個需要注意的點：

1：IO多工是同步阻塞模型還是非同步阻塞模型？

同步是需要主動等待訊息通知，而非同步則是被動接收訊息通知，透過回呼、通知、狀態等方式來被動取得訊息。 IO多路復用在阻塞到select階段時，使用者進程是主動等待並呼叫select函數取得資料就緒狀態訊息，且其進程狀態為阻塞。所以，把IO多工歸為同步阻塞模式。

 2：到底什麼是並發，高並發到底是一張怎麼樣的狀態？

高並發的程式一般使用同步非阻塞方式而非多執行緒 同步阻塞方式。要理解這一點，首先要看一下並發和並行的區別。也就是說並發數是指同時進行的任務數（如同時服務的 HTTP 請求），而平行數是可以同時工作的實體資源數量（如 CPU 核數）。

透過合理調度任務的不同階段，並發數可以遠大於並行度，這就是區區幾個 CPU 可以支援上萬個使用者並發請求的奧秘。在這種高並發的情況下，為每個任務（使用者請求）建立一個進程或執行緒的開銷非常大。而同步非阻塞方式可以把多個 IO 請求丟到後台去，這就可以在一個進程裡服務大量的並發 IO 請求。

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