socket进程通信及多进程

2019-09-18

字数统计: 4.8k字 | 阅读时长: 20分 | 本文总阅读量0次

socket是操作系统提供的通信层的一组抽象API

函数介绍

socket_create(int $domain , int $type , int $protocol)

正确时返回一个套接字(通讯），失败时返回 FALSE。要读取错误代码，可以调用 socket_last_error()。这个错误代码可以通过 socket_strerror() 读取文字的错误说明。

创建一个通讯节点，socket_create包含三个参数
- $domain 指定哪个协议用在当前套接字(通讯节点)，有以下三种：
  - AF_INET：IPv4网络协议。TCP 和 UDP 都可使用此协议。
  - AF_INET6： IPv6网络协议。TCP 和 UDP 都可使用此协议。
  - AF_UNIX：本地通讯协议。具有高性能和低成本的 IPC（进程间通讯）。
- $type 选择套接字(通讯节点)使用的类型，有以下五种：
  - SOCK_STREAM：提供一个顺序化的、可靠的、全双工的、基于连接的字节流。支持数据传送流量控制机制。TCP 协议即基于这种流式套接字。
  - SOCK_DGRAM：提供数据报文的支持。(无连接，不可靠、固定最大长度).UDP协议即基于这种数据报文套接字。
  - SOCK_SEQPACKET：提供一个顺序化的、可靠的、全双工的、面向连接的、固定最大长度的数据通信；数据端通过接收每一个数据段来读取整个数据包。
  - SOCK_RAW：提供读取原始的网络协议。这种特殊的套接字可用于手工构建任意类型的协议。一般使用这个套接字来实现 ICMP 请求（例如 ping）。
  - SOCK_RDM：提供一个可靠的数据层，但不保证到达顺序。一般的操作系统都未实现此功能。
- $protocol 设定$domain套接字(通讯节点)下的具体协议。这个值可以使用 getprotobyname() 函数进行读取。如果所需的协议是 TCP 或 UDP，可以直接使用常量 SOL_TCP 和 SOL_UDP 。
  - icmp：Internet Control Message Protocol 主要用于网关和主机报告错误的数据通信。
  - udp(SOL_UDP)：User Datagram Protocol 是一个无连接的、不可靠的、具有固定最大长度的报文协议。
  - tcp(SOL_TCP)：Transmission Control Protocol 是一个可靠的、基于连接的、面向数据流的全双工协议
socket_set_option ( resource $socket , int $level , int $optname , mixed $optval )

成功时返回 TRUE，或者在失败时返回 FALSE。

设置套接字的套接字选项
- $socket: 套接节(通讯节点)
- $level: 指定选项所在的协议级别
- $optname: 可用的套接字选项与 socket_get_option() 选项相同
- $optval: 可选项值
socket_read ( resource $socket , int $length [, int $type = PHP_BINARY_READ ] ) 从套接字读取最大长度字节
- $socket: 套接节(通讯节点)
- $length: socket资源中的buffer的长度
- $type: 可选类型参数
  - PHP_BINARY_READ 默认值，安全的读取二进制数
  - PHP_NORMAL_READ 读取停止
socket_getpeername ( resource $socket , string &$address [, int &$port ] ) 查询远端套接字
- $socket: 套接节(通讯节点)
- $address: 查询地址
- $port: 查询端口(非必填)
socket_recv ( resource $socket , string &$buf , int $len , int $flags ) 从已连接的socket接收数据
- $socket: 套接节(通讯节点)
- $buf: 从socket中获取的数据将被保存在由 buf 制定的变量中
- $len: 长度最多为 len 字节的数据将被接收
- $flags: 可以为下列任意flag的组合:
  - MSG_OOB 处理超出边界的数据
  - MSG_PEEK 从接受队列的起始位置接收数据，但不将他们从接受队列中移除。
  - MSG_WAITALL 在接收到至少 len 字节的数据之前，造成一个阻塞，并暂停脚本运行（block）
  - MSG_DONTWAIT 如果制定了该flag，函数将不会造成阻塞，即使在全局设置中指定了阻塞设置
socket_select ( array &$read , array &$write , array &$except , int $tv_sec [, int $tv_usec = 0 ] ) 系统调用给定的套接字数组并指定超时
- $read：监听读取数组中列出的套接字
- $write：将监听写入数组中列出的套接字以查看写入是否不会阻塞
- $except：将监视except数组中列出的套接字是否有异常。
- $tv_sec： tv_sec和tv_usec一起形成超时参数。超时是socket_select（）返回之前经过的时间量的上限。 tv_sec可能为零，导致socket_select（）立即返回。这对轮询非常有用。如果tv_sec为NULL（无超时），则socket_select（）可以无限期地阻塞。
- $tv_usec 同上
socket_accept ( resource $socket ) 接受套接字上的连接
socket_write ( resource $socket , string $buffer [, int $length = 0 ] ) 写入套接字
- $socket: 套接节(通讯节点)
- $buffer：要写入的缓冲区。
- $length：可选参数长度
socket_close

TODO ：关闭 socket 资源函数原型: void socket_close ( resource $socket )
- socket: socket_accept或者socket_create产生的资源，不能用于stream资源的关闭
stream_socket_server

由于创建一个SOCKET的流程总是 socket、bind、listen，所以PHP提供了一个非常方便的函数一次性创建、绑定端口、监听端口

函数原型: resource stream_socket_server ( string $local_socket [, int &$errno [, string &$errstr [, int $flags = STREAM_SERVER_BIND | STREAM_SERVER_LISTEN [, resource $context ]]]] )
- local_socket: 协议名://地址:端口号
- errno: 错误码
- errstr: 错误信息
- flags: 只使用该函数的部分功能
- context: 使用stream_context_create函数创建的资源流上下文

socket通信示例

<?php


class SocketServer
{
    protected $address;
    protected $port;

    public function __construct($address = '127.0.0.1', $port = '8080')
    {
        $this->address = $address;
        $this->port = $port;
    }

    public function startSocket()
    {
        $socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
        socket_bind($socket, $this->address, $this->port);
        socket_listen($socket);
        for ( ; ; ) {
            $conn = socket_accept($socket);

            $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n{'code':100020,'data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'},'msg':'ok'}";

            socket_write($conn, $write_buffer);

            socket_close($conn);
        }
    }

    public function run(){
        $this->startSocket();
    }
}

$sock=new SocketServer();
$sock->run();

运行结果如下：
socket运行结果

也可以用stream，即流集成实现。

<?php
      class StreamSocketServer
      {
          protected $address;
          protected $port;

          public function __construct($address='127.0.0.1',$port=8080)
          {
              $this->address=$address;
              $this->port=$port;
          }

          public function startSocket(){
              $socket=stream_socket_server("tcp://".$this->address.":".$this->port,$errno,$errstr);
              $data="{'code':100020,'msg':'ok','data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'}}";
              for ( ; ; ) {
                  $conn = stream_socket_accept($socket);

                  $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n".$data;

                  fwrite($conn, $write_buffer);

                  fclose($conn);
              }
          }

          public function run(){
              $this->startSocket();
          }
      }

      $socket=new StreamSocketServer();
      $socket->run();

多进程

多进程示例

<?php
header("Content-type:text/html;charset=utf-8");

class ProcessTest
{

    public function add(){
        $pid=pcntl_fork();

        if($pid){
            echo "这是一个父进程\n";
            pcntl_waitpid($pid,$status);
        }elseif ($pid==0){
            echo "这是子进程\n";
        }else{
            die("进程结束\n");
        }
    }

    public function run(){
        $this->add();
    }
}

$process=new ProcessTest();
$process->run();

运行的效果
多进行效果

pcntl_fork

函数原型: int pcntl_fork ( void )

执行该函数，会复制当前进程产生另一个进程，称之为当前进程的子进程，该函数在父进程和子进程的返回值不相同，在父进程中返回的是fork出的子进程的进程ID，而在子进程中返回值为0。

要注意的是在复制进程时，会复制该进程的数据（堆数据、栈数据和静态数据），包括在父进程打开的文件描述符，在子进程中也是打开的，这意味着当你在父进程使用了大量内存时，fork出来的子进程必须拥有等量的内存资源，否则可能会导致fork失败。

pcntl_waitpid

函数原型: int pcntl_waitpid ( int $pid , int &$status [, int $options = 0 ] )
- pid: 进程ID
- status: 子进程的退出状态
- option: 取决于操作系统是否提供wait3函数，如果提供该函数，则该选项参数才生效.

上面的进程还是有缺陷，处理多任务时并不太合适。
就用一个非常简单的leader-follower模型，创建一个进程池，随机选出一个进程作为leader进程，该进程监听是否有新连接，如果有则提升另一个follower为leader进程来继续监听，而原leader进程则去处理新连接的请求

socket多任务示例

<?php


class StreamSocketServer
{
    protected $address;
    protected $port;

    public function __construct($address='127.0.0.1',$port=8080)
    {
        $this->address=$address;
        $this->port=$port;
    }

    public function startSocket(){
        $socket=stream_socket_server("tcp://".$this->address.":".$this->port,$errno,$errstr);
        $data="{'code':100020,'msg':'ok','data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'}}";
        $pids=[];
        for($i=0;$i<10;$i++){
            $pid=pcntl_fork();
            $pids[]=$pid;
            if($pid==0){
                for ( ; ; ) {
                    $conn = stream_socket_accept($socket);

                    $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n".$data;

                    fwrite($conn, $write_buffer);

                    fclose($conn);
                }
                exit("结束了\n");
            }
        }

        foreach ($pids as $pid){
            pcntl_waitpid($pid,$status);
        }
    }

    public function run(){
        $this->startSocket();
    }
}

$socket=new StreamSocketServer();
$socket->run();

运行结果

多任务运行socket

运行10个任务没问题，但是多进程是消耗cpu资源的，如果任务多，进程不断的增加，服务器是无法承受的。这时候多进程处理大的并发就不合适了。那就用IO复用。

IO复用

阻塞／非阻塞

这两个概念是针对 IO 过程中进程的状态来说的，阻塞 IO 是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起；相反，非阻塞指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。
同步／异步

这两个概念是针对调用如果返回结果来说的，所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回；相反，当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
阻塞与非阻塞

在介绍IO复用技术之前，先介绍一下阻塞和非阻塞，在我们前几节的WEB服务器中，调用socket_accept函数会使整个进程阻塞，直到有新连接，操作系统才唤醒进程继续执行。而非阻塞模式, stream_socket_accept的行为就不一样了，如果没有新连接，不会阻塞进程，而是马上返回false。
I/O多路复用

多路复用（IO/Multiplexing）：为了提高数据信息在网络通信线路中传输的效率，在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道，同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术。对于 Socket 来说，应该说能同时处理多个连接的模型都应该被称为多路复用，目前比较常用的有 select/poll/epoll/kqueue 这些 IO 模型（目前也有像 Apache 这种每个连接用单独的进程/线程来处理的 IO 模型，但是效率相对比较差，也很容易出问题，所以暂时不做介绍了）。在这些多路复用的模式中，异步阻塞/非阻塞模式的扩展性和性能最好。
select 轮询

使用select会轮询连接池，当有连接可读或可写时，select函数返回可读写的连接数，然后再轮询一遍连接池，查找活动连接进行读写操作

socket_select只支持socket类型的资源，而不支持stream类型的资源，所以这里需要使用socket_create创建socket资源

select轮询示例

<?php

class SocketServer
{
    protected $address;
    protected $port;

    public function __construct($address = '127.0.0.1', $port = '8080')
    {
        $this->address = $address;
        $this->port = $port;
    }

    public function startSocket()
    {
        $socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
        socket_bind($socket, $this->address, $this->port);
        socket_listen($socket);
        $reads = [];
        $clients = [];
        $writes = null;
        $exceptions = null;
        socket_set_nonblock($socket);
        $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n{'code':100,'data':{'name':'艾瑞可erik'},'msg':'ok'}";
        for (; ;) {
            $reads = array_merge(array($socket), $clients);
            $activity_counts = socket_select($reads, $writes, $exceptions, 0);
            if ($activity_counts > 0) {
                if (($conn = socket_accept($socket)) !== false) {
                    $clients[] = $conn;
                }
            }
            $this->client($clients,$write_buffer);
        }
    }

    /**
     * @param $clients
     * @param $write_buffer
     */
    public function client($clients,$write_buffer){
        $length = count($clients);
        for ($i = 0; $i < $length; $i++) {
            $client = $clients[$i];
            if (($read_buff = socket_read($client, 1024))!=false) {
                socket_write($client, $write_buffer);
                socket_close($client);
                break;
            }
        }
    }

    public function run()
    {
        $this->startSocket();
    }
}

$sock = new SocketServer();
$sock->run();

select虽然可以监听多个连接，但是它最多只能监听1024个连接。这虽然在poll中得到了改进，但是select和poll本质上都是通过轮询的方式进行监听，这意味着当监听了上万连接时，就算只有一个连接是活动的，依然要把上万连接都遍历一次。显然，这无疑是极大的性能浪费，而epoll的出现彻底地解决了这个问题

epoll
epoll并不是只有一个函数来实现，而是多个函数。我们这里并不讨论epoll相关的函数，因为PHP并不提供相关的函数，但它提供了基于libevent库的libevent扩展，以及基于libevent库的event扩展。libevent库实现了Reactor模型，关于Reactor模型，这里只作简单的介绍

Reactor模型，包含了几个组件：句柄，事件分发器，事件处理器。
- 句柄，就是文件描述符，在Socket编程中，就是使用socket_create创建的socket资源.
- 事件分发器, 通过事件循环，事件循环是通过诸如epollSelectPoll等IO复用技术实现的，监听句柄期待的事件是否发生，发生了则将事件分发给事件处理器.
- 事件处理器，当事件发生时，处理相关的逻辑.

libevent库已经实现了Reactor模型，安装event扩展即可。

示例

<?php

$address = '127.0.0.1';
$port = 8080;

//创建句柄
$data = "{'code':100020,'msg':'ok','data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'}}";
$write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n" . $data;
$socket = @stream_socket_server("tcp://" . $address . ":" . $port, $errno, $errstr);
stream_set_blocking($socket, 0);
//创建事件循环器
$event_base = new EventBase();
//创建事件，并指定事件监听的事件类型及注册事件处理器
$event = new Event($event_base, $socket, Event::READ | Event::PERSIST, function ($socket) use (&$event_base, $write_buffer) {
    $conn = stream_socket_accept($socket);
    fwrite($conn, $write_buffer);
    fclose($conn);
}, $socket);
//向循环器中添加事件
$event->add();
$event_base->loop();

在浏览器运行请求，或者用工具检测。

运行结果
epoll运行结果

这时需要考虑一个问题：如果进程断了怎么办？

那就需要进程守护。

一般PPID为0的，都是内核态进程。一般PPID为1的都是守护进程

守护进程创建的标准流程
让WEB服务器进程变为守护进程，成为守护进程有几个标准的步骤：
- 设置文件创建掩码，一般设置为0，umask(0)
- pcntl_fork一个子进程，并马上退出，这样做的目的是让子进程继承进程组ID并获取一个新的进程ID，这样就可以确保子进程一定不是进程组组长，因为进程组组长不能创建新会话
- posix_setsid创建新会话和新进程组，并成为会话组长和进程组组长，并和原来的控制终端脱离关系，这样该进程就不会被原来终端的控制信号中断
- pcntl_fork，再fork一次并不是必须的，只是在基于System-V的系统上，有人建议再fork一次，避免打开终端设备，使程序的通用性更强。

守护进程示例

 <?php
  header('Content-type:text/html;charset:utf-8');
  //守护进程
  function daemon(){
      umask(0);
      //创建进程，并退出进程
      if(pcntl_fork()){
          exit("退出进程\n");
      }

      //创建新的会话和进程组,并退出原来的控制端
      posix_setsid();

      //再次创建进程，并退出
      if(pcntl_fork()){
          exit("再次创建进程，并退出\n");
      }
  }
  daemon();

  $address = '127.0.0.1';
  $port = 8080;

  //创建句柄
  $data = "{'code':100020,'msg':'ok','data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'}}";
  $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n" . $data;
  $socket = @stream_socket_server("tcp://" . $address . ":" . $port, $errno, $errstr);
  stream_set_blocking($socket, 0);
  //创建事件循环器
  $event_base = new EventBase();
  //创建事件，并指定事件监听的事件类型及注册事件处理器
  $event = new Event($event_base, $socket, Event::READ | Event::PERSIST, function ($socket) use (&$event_base, $write_buffer) {
      $conn = stream_socket_accept($socket);
      fwrite($conn, $write_buffer);
      fclose($conn);
  }, $socket);
  //向循环器中添加事件
  $event->add();
  $event_base->loop();

运行结果

守护进程运行结果

那么守护进程有了，如何重启、关闭呢。那就调用函数发送信号

posix_kill
函数原型: bool posix_kill ( int $pid , int $sig )
- pid: 进程ID
- sig: 系统预定义的信号常量
pcntl_signal
函数原型: bool pcntl_signal ( int $signo , callback $handler [, bool $restart_syscalls = true ] )
- signo: 系统预定义的信号常量
- handler: 信号处理器，一个回调函数
- restart_syscalls: 当进程在进行系统调用时，被信号中断时，系统调用是否重新调用，一般默认为true

那么根据以上几个步骤，我做个整合。完整版的socket进程及多进程控制

EventServer

 <?php

class EventServer
{
    public $event_base;
    public $events = [];

    public function __construct()
    {
        $this->event_base = new EventBase();
    }

    public function add($fd, $what, $callback, $callback_arg)
    {
        $event = new Event($this->event_base, $fd, $what, $callback, $callback_arg);
        $this->events[intval($fd)] = $event;
        $event->add();
    }

    public function remove($fb)
    {
        $event = $this->events[intval($fb)];
        $event->free();
    }

    public function loop()
    {
        $this->event_base->loop();
    }
}

StreamServer

<?php

require "EventServer.php";

class StreamServer
{
    protected $ip = '127.0.0.1';
    protected $port = 8080;
    protected $path = './pid.txt';
    protected $event;
    protected $data = "{'code':100020,'msg':'ok','data':{'name':'艾瑞可erik','url':'https://erik.xyz'}}";
    protected $write_buffer = "HTTP/1.0 200 OK\r\nServer: my_server\r\nContent-Type: text/html; charset=utf-8\r\n\r\n";


    public static function daemon()
    {
        umask(0);

        $pid = pcntl_fork();

        if ($pid) {
            exit(0);
        } elseif ($pid < 0) {
            die("进程启动失败\n");
        }

        $sid = posix_setsid();

        $pid = pcntl_fork();

        if ($pid) {
            exit(0);
        } elseif ($pid < 0) {
            die("进程启动失败\n");
        }

        if ($sid < 0) {
            die("创建服务失败\n");
        }
    }

    public function __construct($ip, $port = 80)
    {
        $this->ip = $ip;
        $this->port = $port;
        $this->event = new EventServer();
    }

    /**
     * 启动
     */
    public function run()
    {
        if ($GLOBALS['argc'] > 1) {
            $this->sendSignal();
            exit(0);
        } else {
            self::daemon();
        }

        $this->installSignalHandler();
        $this->recordPid();
        $this->start();
    }

    //存储信号
    public function sendSignal()
    {
        if (posix_kill($this->getPid(), 0)) {
            if (strpos($GLOBALS['argv'][1], "stop") !== false) {
                posix_kill($this->getPid(), SIGUSR1);
            }
        }
    }

    //启动进程
    public function start()
    {
        $domain = sprintf("tcp://%s:%d", $this->ip, $this->port);

        $fd = stream_socket_server($domain, $errno, $errstr);

        if (!$fd) {
            die("$errno $errstr\n");
        }

        stream_set_blocking($fd, 0);

        $this->event->add($fd, Event::READ | Event::PERSIST, [$this, 'requestHandler'], $fd);

        $this->event->loop();
    }

    /**响应信息
     * @param $fd
     */
    public function requestHandler($fd)
    {
        $write_buffer = $this->write_buffer . $this->data;
        $conn = stream_socket_accept($fd);
        fwrite($conn, $write_buffer);
        fclose($conn);
    }

    //添加信号
    public function installSignalHandler()
    {
        $this->event->add(SIGUSR1, Event::SIGNAL, [$this, "handler"], SIGUSR1);
    }

    /**终止信号
     * @param $signo
     */
    public function handler($signo)
    {
        switch ($signo) {
            default:
            case SIGUSR1:
                $this->event->remove($signo);
                $this->stop();
                break;
        }
    }

    public function stop()
    {
        exit("终止信号\n");
    }

    public function getPid()
    {
        return file_get_contents($this->path);
    }

    private function recordPid()
    {
        file_put_contents($this->path, posix_getpid());
    }
}

$server = new StreamServer("127.0.0.1", 8080);
$server->run();

运行结果

最终执行结果

本文作者： 艾瑞可erik
本文链接： https://erik.xyz/2019/09/18/socket-jin-cheng-tong-xin-ji-zhi/
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