Swoole v6 要来了！即将增加多线程支持

在 PHP + Swoole 的服务器编程开发中，协程的支持已经解决了大部分难题，但是我们发现跨进程读写数据依然很难，需要借助进程间通信（IPC）、Redis、Swoole\Table 或其他共享内存实现。

Redis、IPC 进程间通信方式性能较差。而 Swoole\Table 的问题是需要固定分配内存，无法扩容，存在诸多限制。

除此之外，多进程的调试非常麻烦，例如我们要使用 gdb 就需要 gdb -p 逐个进程去追踪，而 Java 、Golang 这样的多线程模型，只有一个进程，调试更简单。实现一些底层的工具也会更容易。

为了解决这个问题，Swoole v6 版本将推出一个重磅的更新，引入多线程+协程的编程模式支持。既可以拥有协程并发 IO 编程的便利，又可以拥有多线程并行执行、共享内存堆栈的优势。这使得 PHP 在开发游戏服务器、通信服务器方面更有效率。

实现原理

基于 PHP 的 ZTS 机制和 TSRM API，PHP 层面隔离所有全局变量，实现线程安全。不同于 Python 的伪多线程，Swoole v6 的多线程是真正的多线程实现，所有 PHP 程序代码均是在多核并行执行。

Swoole v6 提供了线程安全的 Map 和 ArrayList 数据结构，可实现跨线程的数据共享读写 。

Server 端的 Event Worker、Task Worker、User Process 将全部替换为 Thread，在同一个进程空间内执行。

创建线程

# index.php
$thread = Swoole\Thread::exec('thread.php', $arg1, $arg2, ...$argv);
# 等待线程退出
$thread->join();

# thread.php

echo "begin\n";
var_dump(Swoole\Thread::getId());
$args = Swoole\Thread::getArguments();
var_dump($args);

if ($args[0] == 'thread-2') {
    $t3 = Swoole\Thread::exec('mt.php', 'thread-3', PHP_OS);
    $t3->join();
}

sleep(5);
echo "end\n";

与可以在协程中创建协程相似，在子线程中依然可以创建新线程

由于 ZTS 的机制，实际上 Swoole\Thread 与 Swoole\Process 是一致的，无法共享任何对象资源。

实际上 Thread::exec() 与 Process::exec() 更接近，ZTS 线程反而比 fork() 隔离得更为干净，fork() 是可以从父进程继承已创建的对象和资源，而 ZTS 新的线程不会从父线程继承任何资源，相当于是一个全新的进程。

虽然通过底层的技术手段可以实现线程之间传递对象和资源，例如 ext-pthreads 等扩展，但涉及到并行操作同一个文件句柄和内存指针等复杂的问题。再加上 Swoole 的异步 IO 和协程机制带来的复杂性。应用层代码正确地使用锁，同时兼顾性能和数据一致性是一件极其困难的事情，错误的使用方法导致严重的 BUG，因此 Swoole 不考虑提供这方面的支持。

在线程中创建协程

# index.php 
Co\run(function () {
    echo "begin\n";
    sleep(10);
    echo "end\n";    
});

在线程中可以使用 Co\run 创建新的协程调度器，使用 Co\go 创建新的协程。不同线程之间的协程无任何关联，包括 Channel 也只能在当前线程中使用。

使用 ps aux 可以看到只有一个进程：

ps aux|grep php
swoole       783550  0.2  0.0 171424 12028 pts/11   Sl+  10:51   0:00 php index.php

并发 Map

use Swoole\Thread;
use Swoole\Thread\Map;

$map = new Map;

# 写入
$map[time()] = 'value';
$map['hello'] = 3.1415926;

# 读取
echo $map['hello'];

# 删除
unset($map['hello']);

# 获取长度
count($map);

# 获取所有 Key ，若 Map 过大可能会长时间占用锁，导致其他线程全部阻塞，建议只在 `shutdown` 阶段使用
$map->keys();

并发 ArrayList

use Swoole\Thread;
use Swoole\Thread\ArrayList;

$list = new ArrayList();

# 追加元素
$list[] = time();
$list[] = 99999;
$list[2] = 'test';

# 获取长度
count($list);

# 抛出异常 unsupported behavior，不支持随机删除
unset($list[1]);

# 赋值
$list[0] = 0;

# 抛出 out of range 异常，错误的赋值
$list[1000] = 0;

线程安全

• Map 和 ArrayList 在同一个进程的内存堆栈中，因此可以分配内存自由伸缩，不需要像 Table 那样固定分配
• 底层会自动加锁，是线程安全的
• 仅支持 null/bool/int/float/string 类型，其他类型将在写入时自动序列化，读取时反序列化
• 不支持迭代器，在迭代器中删除元素会出现内存错误
• 必须在线程创建前将 Map 和 ArrayList 对象作为线程参数传递给子线程

$list = new Swoole\Thread\ArrayList();
$list[] = base64_encode(random_bytes(32));
$list[1] = uniqid();

$t1 = Swoole\Thread::exec('mt.php', 'thread-1', $list);

多线程缺点

• 发生 Crash 时或调用了 Process::exit() 整个进程都会退出，需要在客户端做好错误重试、断线重连等故障恢复逻辑，另外需要使用 supervisor 和 docker/k8s 在进程退出后自动重启
• ZTS 和 锁的操作可能会额外的开销，性能可能会比 NTS 多进程并发模型差 10% 左右，如果是无状态的服务，仍建议使用 NTS 多进程的运行方式

其他线程 API

• Thread::getId()：获取当前线程的 ID
• Thread::getArguments()：获取父线程传递给子线程的参数列表
• Thread::join() 等待子线程退出，请注意 $thread 对象销毁时会自动执行 join() ，这可能会导致进程阻塞
• Thread::joinable() 检测子线程是否已退出
• Thread::detach() 使子线程独立运行，不再需要 Thread::join()
• Thread::HARDWARE_CONCURRENCY 硬件层支持的并行线程数量
• Thread::$id 获取子线程的 ID