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1.PHP概述

1.1 PHP的歷史發(fā)展

1995年由Lerdorf創(chuàng)建PHP，高級腳本語言，尤其適合Web開發(fā)，快速、靈活和實用是PHP最重要的特點。

在1997年，任職于 Technion IIT 公司的兩個以色列程序設(shè)計師：Zeev Suraski 和 Andi Gutmans，重寫了PHP的解析器。

1998年6月正式發(fā)布 PHP 3。Zeev Suraski 和 Andi Gutmans 在 PHP 3 發(fā)布后開始改寫 PHP 的核心，這個在1999年發(fā)布的解析器稱為 Zend Engine。

在2000年5月22日，以Zend Engine 1.0為基礎(chǔ)的PHP 4正式發(fā)布。

2004年7月13日則發(fā)布了PHP 5，PHP 5則使用了第二代的Zend Engine。

2015年6月11日，PHP官網(wǎng)發(fā)布消息，正式公開發(fā)布PHP7第一版的alpha版本。

1.2 特性

PHP 獨特的語法混合了 C、Java、Perl 以及 PHP 自創(chuàng)新的語法，豐富的語法支持、同時支持面向?qū)ο蟆⒚嫦蜻^程，相比C、Java等語言具有語法簡潔、使用靈活、開發(fā)效率高。

1.3 PHP的相關(guān)組成

1.3.1 SAPI

SAPI是PHP的接入層，它接收用戶的請求，然后調(diào)用PHP內(nèi)核提供的一些接口完成PHP腳本的執(zhí)行，所以嚴格意義上講SAPI并不算PHP內(nèi)核的一部分。PHP本身可以理解為是一個庫函數(shù)，提供語言的編譯與執(zhí)行服務(wù)，它有標(biāo)準的輸入、輸出。

PHP中常用的SAPI有CLI、php-fpm(CGI)，CLI是命令行下執(zhí)行PHP腳本的實現(xiàn)：bin/php script.php，它是單進程的，處理模型比較簡單，而php-fpm相對比較復(fù)雜，它實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)處理模塊，用于與web服務(wù)器交互。

1.3.2 Zend引擎

Zend是PHP語言實現(xiàn)的最為重要的部分，是PHP最基礎(chǔ)、最核心的部分，它的源碼在/Zend目錄下，PHP代碼從編譯到執(zhí)行都是由Zend完成的，后面章節(jié)絕大部分的源碼分析都是針對Zend的。Zend整體由兩個部分組成：

• 編譯器： 負責(zé)將PHP代碼編譯為抽象語法樹，然后進一步編譯為可執(zhí)行的opcodes，這個過程相當(dāng)于GCC的工作，編譯器是一個語言實現(xiàn)的基礎(chǔ)
• 執(zhí)行器： 負責(zé)執(zhí)行編譯器輸出的opcodes，也就是執(zhí)行PHP腳本中編寫的代碼邏輯

2. 執(zhí)行流程

PHP的生命周期

image.png

• php_module_startup() 模塊初始化階段

• php_request_startup() 請求初始化階段

• php_execute_script() 執(zhí)行PHP腳本階段

• php_request_shutdown() 請求結(jié)束階段

• php_module_shutdown() 模塊關(guān)閉階段

3. FPM

3.1 概述

FPM(FastCGI Process Manager)是PHP FastCGI運行模式的一個進程管理器，核心功能是進程管理，那么它用來管理什么進程呢？這個問題就需要從FastCGI說起了。

FastCGI是Web服務(wù)器(如：Nginx、Apache)和處理程序之間的一種通信協(xié)議，它是與Http類似的一種應(yīng)用層通信協(xié)議，注意：它只是一種協(xié)議！

web服務(wù)器來處理http請求，然后將解析的結(jié)果再通過FastCGI協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給處理程序，處理程序處理完成后將結(jié)果返回給web服務(wù)器，web服務(wù)器再返回給用戶，如下圖所示。

image.png

PHP實現(xiàn)了FastCGI協(xié)議的解析，但是并沒有具體實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理，一般的處理模型：多進程、多線程。多進程模型通常是主進程只負責(zé)管理子進程，而基本的網(wǎng)絡(luò)事件由各個子進程處理，nginx、fpm就是這種模式。

3.2 基本實現(xiàn)

fpm的實現(xiàn)就是創(chuàng)建一個master進程，在master進程中創(chuàng)建并監(jiān)聽socket，然后fork出多個子進程，這些子進程各自accept請求。

fpm的子進程子進程在啟動后阻塞在accept上，同時只能響應(yīng)一個請求，只有把這個請求處理完成后才會accept下一個請求。(nginx則是一個進程會同時連接多個請求，它是非阻塞的模型，只處理活躍的套接字)。

fpm的master進程與worker進程之間不會直接進行通信，master通過共享內(nèi)存獲取worker進程的信息，比如worker進程當(dāng)前狀態(tài)、已處理請求數(shù)等，當(dāng)master進程要殺掉一個worker進程時則通過發(fā)送信號的方式通知worker進程。

fpm可以同時監(jiān)聽多個端口，每個端口對應(yīng)一個worker pool，而每個pool下對應(yīng)多個worker進程，類似nginx中server概念。

image.png

具體實現(xiàn)上worker pool通過fpm_worker_pool_s這個結(jié)構(gòu)表示，多個worker pool組成一個單鏈表：

struct fpm_worker_pool_s {
    struct fpm_worker_pool_s *next; //指向下一個worker pool
    struct fpm_worker_pool_config_s *config; //conf配置:pm、max_children、start_servers...
    int listening_socket; //監(jiān)聽的套接字
    ...

    //以下這個值用于master定時檢查、記錄worker數(shù)
    struct fpm_child_s *children; //當(dāng)前pool的worker鏈表
    int running_children; //當(dāng)前pool的worker運行總數(shù)
    int idle_spawn_rate;
    int warn_max_children;

    struct fpm_scoreboard_s *scoreboard; //記錄worker的運行信息，比如空閑、忙碌worker數(shù)
    ...
}

3.3 FPM的初始化

fpm的啟動流程，從main()函數(shù)開始：

//sapi/fpm/fpm/fpm_main.c
int main(int argc, char *argv[])
{
    ...
    //注冊SAPI:將全局變量sapi_module設(shè)置為cgi_sapi_module
    sapi_startup(&cgi_sapi_module);
    ...
    //執(zhí)行php_module_starup()
    if (cgi_sapi_module.startup(&cgi_sapi_module) == FAILURE) {
        return FPM_EXIT_SOFTWARE;
    }
    ...
    //初始化
    if(0 > fpm_init(...)){
        ...
    }
    ...
    fpm_is_running = 1;

    fcgi_fd = fpm_run(&max_requests);//后面都是worker進程的操作，master進程不會走到下面
    parent = 0;
    ...
}

fpm_init()主要有以下幾個關(guān)鍵操作：

• 1.fpm_conf_init_main():
  解析php-fpm.conf配置文件，分配worker pool內(nèi)存結(jié)構(gòu)并保存到全局變量中：fpm_worker_all_pools，各worker pool配置解析到fpm_worker_pool_s->config中。
• 2.fpm_scoreboard_init_main():
  分配用于記錄worker進程運行信息的共享內(nèi)存，按照worker pool的最大worker進程數(shù)分配，每個worker pool分配一個fpm_scoreboard_s結(jié)構(gòu)，pool下對應(yīng)的每個worker進程分配一個fpm_scoreboard_proc_s結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系如下圖。

image.png

• 3.fpm_signals_init_main(): master的信號處理

static int sp[2];

int fpm_signals_init_main()
{
    struct sigaction act;

    //創(chuàng)建一個全雙工管道
    if (0 > socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sp)) {
        return -1;
    }
    //注冊信號處理handler
    act.sa_handler = sig_handler;
    sigfillset(&act.sa_mask);
    if (0 > sigaction(SIGTERM,  &act, 0) ||
        0 > sigaction(SIGINT,   &act, 0) ||
        0 > sigaction(SIGUSR1,  &act, 0) ||
        0 > sigaction(SIGUSR2,  &act, 0) ||
        0 > sigaction(SIGCHLD,  &act, 0) ||
        0 > sigaction(SIGQUIT,  &act, 0)) {
        return -1;
    }
    return 0;
}

• 4.fpm_sockets_init_main(): 創(chuàng)建每個worker pool的socket套接字。
• 5.fpm_event_init_main():
  啟動master的事件管理，fpm實現(xiàn)了一個事件管理器用于管理IO、定時事件，其中IO事件通過kqueue、epoll、poll、select等管理，定時事件就是定時器，一定時間后觸發(fā)某個事件。
  在fpm_init()初始化完成后接下來就是最關(guān)鍵的fpm_run()操作了，此環(huán)節(jié)將fork子進程，啟動進程管理器，另外master進程將不會再返回，只有各worker進程會返回，也就是說fpm_run()之后的操作均是worker進程的。

int fpm_run(int *max_requests)
{
    struct fpm_worker_pool_s *wp;
    for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
        //調(diào)用fpm_children_make() fork子進程
        is_parent = fpm_children_create_initial(wp);
        
        if (!is_parent) {
            goto run_child;
        }
    }
    //master進程將進入event循環(huán)，不再往下走
    fpm_event_loop(0);

run_child: //只有worker進程會到這里

    *max_requests = fpm_globals.max_requests;
    return fpm_globals.listening_socket; //返回監(jiān)聽的套接字
}

在fork后worker進程返回了監(jiān)聽的套接字繼續(xù)main()后面的處理，而master將永遠阻塞在fpm_event_loop()，接下來分別介紹master、worker進程的后續(xù)操作。

3.4 請求處理

fpm_run()執(zhí)行后將fork出worker進程，worker進程返回main()中繼續(xù)向下執(zhí)行，后面的流程就是worker進程不斷accept請求，然后執(zhí)行PHP腳本并返回。整體流程如下：

• 1.等待請求： worker進程阻塞在fcgi_accept_request()等待請求；
• 2.解析請求： fastcgi請求到達后被worker接收，然后開始接收并解析請求數(shù)據(jù)，直到request數(shù)據(jù)完全到達；
• 3.請求初始化： 執(zhí)行php_request_startup()，此階段會調(diào)用每個擴展的：PHP_RINIT_FUNCTION()；
• 4.編譯、執(zhí)行： 由php_execute_script()完成PHP腳本的編譯、執(zhí)行；
• 5.關(guān)閉請求： 請求完成后執(zhí)行php_request_shutdown()，此階段會調(diào)用每個擴展的：PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION()，然后進入步驟1等待下一個請求。

worker進程一次請求的處理被劃分為5個階段：

• FPM_REQUEST_ACCEPTING: 等待請求階段
• FPM_REQUEST_READING_HEADERS: 讀取fastcgi請求header階段
• FPM_REQUEST_INFO: 獲取請求信息階段，此階段是將請求的method、query stirng、request uri等信息保存到各worker進程的fpm_scoreboard_proc_s結(jié)構(gòu)中，此操作需要加鎖，因為master進程也會操作此結(jié)構(gòu)
• FPM_REQUEST_EXECUTING: 執(zhí)行請求階段
• FPM_REQUEST_END: 沒有使用
• FPM_REQUEST_FINISHED: 請求處理完成

worker處理到各個階段時將會把當(dāng)前階段更新到fpm_scoreboard_proc_s->request_stage，master進程正是通過這個標(biāo)識判斷worker進程是否空閑的。

3.5 進程管理

這一節(jié)我們來看下master是如何管理worker進程的，首先介紹下三種不同的進程管理方式：

• static: 這種方式比較簡單，在啟動時master按照pm.max_children配置fork出相應(yīng)數(shù)量的worker進程，即worker進程數(shù)是固定不變的
• dynamic: 動態(tài)進程管理，首先在fpm啟動時按照pm.start_servers初始化一定數(shù)量的worker，運行期間如果master發(fā)現(xiàn)空閑worker數(shù)低于pm.min_spare_servers配置數(shù)(表示請求比較多，worker處理不過來了)則會fork worker進程，但總的worker數(shù)不能超過pm.max_children，如果master發(fā)現(xiàn)空閑worker數(shù)超過了pm.max_spare_servers(表示閑著的worker太多了)則會殺掉一些worker，避免占用過多資源，master通過這4個值來控制worker數(shù)
• ondemand: 這種方式一般很少用，在啟動時不分配worker進程，等到有請求了后再通知master進程fork worker進程，總的worker數(shù)不超過pm.max_children，處理完成后worker進程不會立即退出，當(dāng)空閑時間超過pm.process_idle_timeout后再退出
  前面介紹到在fpm_run()master進程將進入fpm_event_loop()：

void fpm_event_loop(int err)
{
    //創(chuàng)建一個io read的監(jiān)聽事件，這里監(jiān)聽的就是在fpm_init()階段中通過socketpair()創(chuàng)建管道sp[0]
    //當(dāng)sp[0]可讀時將回調(diào)fpm_got_signal()
    fpm_event_set(&signal_fd_event, fpm_signals_get_fd(), FPM_EV_READ, &fpm_got_signal, NULL);
    fpm_event_add(&signal_fd_event, 0);

    //如果在php-fpm.conf配置了request_terminate_timeout則啟動心跳檢查
    if (fpm_globals.heartbeat > 0) {
        fpm_pctl_heartbeat(NULL, 0, NULL);
    }
    //定時觸發(fā)進程管理
    fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance_heartbeat(NULL, 0, NULL);
    
    //進入事件循環(huán)，master進程將阻塞在此
    while (1) {
        ...
        //等待IO事件
        ret = module->wait(fpm_event_queue_fd, timeout);
        ...
        //檢查定時器事件
        ...
    }
}

這就是master整體的處理，其進程管理主要依賴注冊的幾個事件，接下來我們詳細分析下這幾個事件的功能。

(1)sp[1]管道可讀事件：

在fpm_init()階段master曾創(chuàng)建了一個全雙工的管道：sp，然后在這里創(chuàng)建了一個sp[0]可讀的事件，當(dāng)sp[0]可讀時將交由fpm_got_signal()處理，向sp[1]寫數(shù)據(jù)時sp[0]才會可讀，那么什么時機會向sp[1]寫數(shù)據(jù)呢？前面已經(jīng)提到了：當(dāng)master收到注冊的那幾種信號時會寫入sp[1]端，這個時候?qū)⒂|發(fā)sp[0]可讀事件。

image.png

這個事件是master用于處理信號的，我們根據(jù)master注冊的信號逐個看下不同用途：

• SIGINT/SIGTERM/SIGQUIT: 退出fpm，在master收到退出信號后將向所有的worker進程發(fā)送退出信號，然后master退出
• SIGUSR1: 重新加載日志文件，生產(chǎn)環(huán)境中通常會對日志進行切割，切割后會生成一個新的日志文件，如果fpm不重新加載將無法繼續(xù)寫入日志，這個時候就需要向master發(fā)送一個USR1的信號
• SIGUSR2: 重啟fpm，首先master也是會向所有的worker進程發(fā)送退出信號，然后master會調(diào)用execvp()重新啟動fpm，最后舊的master退出
• SIGCHLD: 這個信號是子進程退出時操作系統(tǒng)發(fā)送給父進程的，子進程退出時，內(nèi)核將子進程置為僵尸狀態(tài)，這個進程稱為僵尸進程，它只保留最小的一些內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便父進程查詢子進程的退出狀態(tài)，只有當(dāng)父進程調(diào)用wait或者waitpid函數(shù)查詢子進程退出狀態(tài)后子進程才告終止，fpm中當(dāng)worker進程因為異常原因(比如coredump了)退出而非master主動殺掉時master將受到此信號，這個時候父進程將調(diào)用waitpid()查下子進程的退出，然后檢查下是不是需要重新fork新的worker

具體處理邏輯在fpm_got_signal()函數(shù)中，這里不再羅列。

(2)fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance_heartbeat():

這是進程管理實現(xiàn)的主要事件，master啟動了一個定時器，每隔1s觸發(fā)一次，主要用于dynamic、ondemand模式下的worker管理，master會定時檢查各worker pool的worker進程數(shù)，通過此定時器實現(xiàn)worker數(shù)量的控制，處理邏輯如下：

static void fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance(struct timeval *now)
{
    for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
        struct fpm_child_s *last_idle_child = NULL; //空閑時間最久的worker
        int idle = 0; //空閑worker數(shù)
        int active = 0; //忙碌worker數(shù)
        
        for (child = wp->children; child; child = child->next) {
            //根據(jù)worker進程的fpm_scoreboard_proc_s->request_stage判斷
            if (fpm_request_is_idle(child)) {
                //找空閑時間最久的worker
                ...
                idle++;
            }else{
                active++;
            }
        }
        ...
        //ondemand模式
        if (wp->config->pm == PM_STYLE_ONDEMAND) {
            if (!last_idle_child) continue;

            fpm_request_last_activity(last_idle_child, &last);
            fpm_clock_get(&now);
            if (last.tv_sec < now.tv_sec - wp->config->pm_process_idle_timeout) {
                //如果空閑時間最長的worker空閑時間超過了process_idle_timeout則殺掉該worker
                last_idle_child->idle_kill = 1;
                fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
            } 
            continue;
        }
        //dynamic
        if (wp->config->pm != PM_STYLE_DYNAMIC) continue;
        if (idle > wp->config->pm_max_spare_servers && last_idle_child) {
            //空閑worker太多了，殺掉
            last_idle_child->idle_kill = 1;
            fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
            wp->idle_spawn_rate = 1;
            continue;
        }
        if (idle < wp->config->pm_min_spare_servers) {
            //空閑worker太少了，如果總worker數(shù)未達到max數(shù)則fork
            ...
        }
    }
}

(3)fpm_pctl_heartbeat():

這個事件是用于限制worker處理單個請求最大耗時的，php-fpm.conf中有一個request_terminate_timeout的配置項，如果worker處理一個請求的總時長超過了這個值那么master將會向此worker進程發(fā)送kill -TERM信號殺掉worker進程，此配置單位為秒，默認值為0表示關(guān)閉此機制，另外fpm打印的slow log也是在這里完成的。

static void fpm_pctl_check_request_timeout(struct timeval *now)
{   
    struct fpm_worker_pool_s *wp;

    for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
        int terminate_timeout = wp->config->request_terminate_timeout;
        int slowlog_timeout = wp->config->request_slowlog_timeout;
        struct fpm_child_s *child;

        if (terminate_timeout || slowlog_timeout) { 
            for (child = wp->children; child; child = child->next) {
                //檢查當(dāng)前當(dāng)前worker處理的請求是否超時
                fpm_request_check_timed_out(child, now, terminate_timeout, slowlog_timeout);
            }
        }
    }
}

除了上面這幾個事件外還有一個沒有提到，那就是ondemand模式下master監(jiān)聽的新請求到達的事件，因為ondemand模式下fpm啟動時是不會預(yù)創(chuàng)建worker的，有請求時才會生成子進程，所以請求到達時需要通知master進程，這個事件是在fpm_children_create_initial()時注冊的，事件處理函數(shù)為fpm_pctl_on_socket_accept()，具體邏輯這里不再展開，比較容易理解。

到目前為止我們已經(jīng)把fpm的核心實現(xiàn)介紹完了，事實上fpm的實現(xiàn)還是比較簡單的。