Разработка многозадачных приложений на PHP V5

V5 не может быть потоковым, но на нем можно создавать приложения, использующие внутрипроцессную многозадачность

Многие PHP-разработчики полагают, что поскольку в стандарте PHP отсутствуют возможности для обработки потоков (thread), невозможно организовать работающее многозадачное PHP-приложение. Например, если приложению нужна информация с другого Web-сайта, оно должно остановиться и подождать завершения извлечения этой удаленной информации. Это не правда! Узнайте о внутрипроцессной (in-process) многозадачности в PHP, использующей функции stream_select и stream_socket_client.

Кэмерон Лэйрд, вице-президент, Phaseit,Inc.

Photo of Cameron LairdКэмерон Лэйрд (Cameron Laird) - бывший обозревательэтого сайта и в течение длительного времени пишет для developerWorks. Он часто рассказывает про Open Source проекты, позволяющие его работодателям ускорить разработку технологий в области надежности и безопасности передачи информации. Кэмерон впервые начал использовать AIX двадцать лет назад, когда тот был все еще экспериментальным продуктом. Все это время Кэмерон был заинтересованным пользователем и разработчиком средств для отладки памяти. Вы можете связаться с ним по адресу claird@phaseit.net.



04.06.2008

PHP не поддерживает обработку потоков. Несмотря на это, и в противоположность мнению большинства PHP-разработчиков, с которыми я общался, PHP-приложения могут быть многозадачными. Начнем с выяснения того, что "многозадачность" и "поточность" означают для PHP-программирования.

Многообразие параллелизма

Сначала отложим в сторону случаи, лежащие вне русла главной темы. У PHP сложные взаимоотношения с многозадачностью или параллелизмом. На верхнем уровне PHP постоянно вовлечен в многозадачность - стандартные установки PHP на сервере (например, модуль Apache) используются многозадачным способом. То есть несколько клиентских приложений (Web-браузеров) могут одновременно запросить одну и ту же PHP-страницу, и Web-сервер возвратит ее всем более или менее одновременно.

Одна Web-страница не блокирует передачу другой, хотя они могут немного мешать друг другу при работе с такими ограниченными ресурсами как память сервера или пропускная способность сети. Таким образом, системное требование обеспечения параллелизма может вполне допускать основанные на PHP решения. В терминах реализации PHP возлагает на Web-сервер ответственность за параллелизм.

Параллелизм на клиентской стороне под названием Ajax тоже привлек внимание разработчиков в последние несколько лет. Хотя значение Ajax стало несколько неясным, одним из аспектов этой технологии является то, что браузер может одновременно выполнять вычисления и оставаться чувствительным к таким действиям пользователя, как выбор пунктов меню. Это действительно отчасти многозадачность. Закодированный на PHP Ajax делает это, но без какого-либо специального участия PHP; интегрированные среды Ajax для других языков работают точно также.

Третьим примером параллелизма, который только поверхностно затрагивает PHP, является PHP/TK. PHP/TK - это расширение PHP, предоставляющее переносимые связывания графического интерфейса пользователя (Graphical User Interface - GUI) ядру PHP. PHP/TK позволяет создавать настольные GUI-приложения, написанные на PHP. Его основанные на событиях аспекты моделируют форму параллелизма, которую легко изучить, и она меньше подвержена ошибкам, чем работа с потоками. Опять же, параллелизм "унаследован" от дополнительной технологии, а не является фундаментальной функциональностью PHP.

Было несколько экспериментов по добавлению поддержки поточности в сам PHP. Насколько я знаю, ни один не был удачным. Однако ориентированные на события интегрированные среды Ajax и PHP/TK показывают, что события могут еще лучше выразить параллелизм для PHP, чем это делают потоки. PHP V5 доказывает это.


PHP V5 предлагает stream_select()

В стандартном PHP V4 и более ранних версиях вся работа PHP-приложения должна выполняться последовательно. Если программе нужно извлечь цену товара с двух коммерческих сайтов, например, она запрашивает первую цену, ждет получения ответа, запрашивает вторую цену и ждет опять.

Что, если бы программа могла выполнять несколько задач одновременно? Она завершалась бы лишь за часть того времени, которое необходимо при последовательной работе.

Первый пример

Новая функция stream_select, вместе с несколькими своими друзьями, предоставляет эту возможность. Рассмотрим следующий пример:

Листинг 1. Одновременный запрос нескольких HTTP-страниц
       <?php
	echo "Program starts at ". date('h:i:s') . ".\n";

        $timeout=10; 
        $result=array(); 
        $sockets=array(); 
        $convenient_read_block=8192;
        
        /* Выполнить одновременно все запросы; ничего не блокируется. */
        $delay=15;
        $id=0;
        while ($delay > 0) {
            $s=stream_socket_client("phaseit.net:80", $errno,
                  $errstr, $timeout,
                  STREAM_CLIENT_ASYNC_CONNECT|STREAM_CLIENT_CONNECT); 
            if ($s) { 
                $sockets[$id++]=$s; 
                $http_message="GET /demonstration/delay?delay=" .
                    $delay . " HTTP/1.0\r\nHost: phaseit.net\r\n\r\n"; 
                fwrite($s, $http_message);
            } else { 
                echo "Stream " . $id . " failed to open correctly.";
            } 
            $delay -= 3;
        } 
        
        while (count($sockets)) { 
            $read=$sockets; 
            stream_select($read, $w=null, $e=null, $timeout); 
            if (count($read)) {
                /* stream_select обычно перемешивает $read, поэтому мы должны вычислить, 
                   из какого сокета выполняется чтение.  */
                foreach ($read as $r) { 
                    $id=array_search($r, $sockets); 
                    $data=fread($r, $convenient_read_block); 
                    /* Сокет можно прочитать либо потому что он
                       имеет данные для чтения, ЛИБО потому что он в состоянии EOF. */
                    if (strlen($data) == 0) { 
                        echo "Stream " . $id . " closes at " . date('h:i:s') . ".\n";
                        fclose($r); 
                        unset($sockets[$id]); 
                    } else { 
                        $result[$id] .= $data; 
                    } 
                } 
            } else { 
                /* Таймаут означает, что *все* потоки не
                   дождались получения ответа. */
                echo "Time-out!\n";
                break;
            } 
        } 
       ?>

Если выполнить эту программу, отобразится примерно следующая информация:

Листинг 2. Типичная информация, выводимая программой из листинга 1
	 Program starts at 02:38:50.
         Stream 4 closes at 02:38:53.
	 Stream 3 closes at 02:38:56.
	 Stream 2 closes at 02:38:59.
	 Stream 1 closes at 02:39:02.
	 Stream 0 closes at 02:39:05.

Важно понимать, что здесь происходит. На высоком уровне первая программа выполняет несколько HTTP-запросов и получает страницы, которые передает ей Web-сервер. Хотя реальное приложение, наверное, запрашивало бы несколько различных Web-серверов (возможно google.com, yahoo.com, ask.com и т.д.), этот пример передает все запросы на наш корпоративный сервер на Phaseit.net просто ради уменьшения сложности.

Запрошенные Web-страницы возвращают результаты после переменной задержки, показанной ниже. Если бы программа выполняла запросы последовательно, для ее завершения понадобилось бы около 15+12+9+6+3 (45) секунд. Как показано в листинге 2, на самом деле она завершается за 15 секунд. Утроение производительности - это отличный результат.

Такое стало возможно благодаря stream_select - новой функции в PHP V5. Запросы инициируются обычным способом - открытием нескольких stream_socket_clients и написанием GET к каждому из них, что соответствует http://phaseit.net/demonstration/delay?delay=$DELAY. При запросе этого URL в браузере вы должны увидеть:

	  Starting at Thu Apr 12 15:05:01 UTC 2007. 
	  Stopping at Thu Apr 12 15:05:05 UTC 2007. 
	  4 second delay.

Сервер задержки реализован на CGI, как показано ниже.

Листинг 3. Реализация сервера задержки
	  #!/bin/sh

	  echo "Content-type: text/html

	  <HTML> <HEAD></HEAD> <BODY>"

	  echo "Starting at `date`."
	  RR=`echo $REQUEST_URI | sed -e 's/.*?//'`
	  DELAY=`echo $RR | sed -e 's/delay=//'`
	  sleep $DELAY
	  echo "<br>Stopping at `date`."
	  echo "<br>$DELAY second delay.</body></html>"

Хотя конкретная реализация в листинге 3 предназначена для UNIX®, почти все сценарии данной статьи с тем же успехом применимы для установок PHP в Windows® (особенно после Windows 98) или UNIX. В частности, с листингом 1 можно работать на любой операционной системе. Linux® и Mac OS X являются вариациями UNIX, и весь приведенный здесь код будет работать в обеих системах.

Запросы к серверу задержки выполняются в следующем порядке:

Листинг 4. Последовательность выполнения процесса
	delay=15
	delay=12
	delay= 9
	delay= 6
	delay= 3

Целью stream_select является как можно более быстрое получение результатов. В данном случае порядок задержек противоположен порядку, в котором были сделаны запросы. Через 3 секунды первая страница готова для чтения. Эта часть программы является обычным PHP-кодом - в данном случае с fread. Также как и в другой PHP-программе чтение могло бы осуществляться при помощи fgets.

Обработка продолжается таким же образом. Программа блокируется в stream_select, пока не будут готовы данные. Решающим является то, что она начинает чтение, как только какое-либо соединение будет иметь данные, в любом порядке. Именно так программа реализует многозадачность или параллельную обработку результатов нескольких запросов.

Обратите внимание на то, что при этом нет дополнительной нагрузки на CPU хост-компьютера. Нет ничего необычного в том, что сетевые программы, выполняющие fread таким способом, вскоре начинают использовать 100% мощности CPU. Здесь не этот случай, поскольку stream_select имеет желаемые свойства и отвечает немедленно, как только какое-нибудь чтение становится возможным, но при этом минимальным образом загружает CPU в режиме ожидания между операциями чтения.


Что нужно знать о stream_select()

Подобное основанное на событиях программирование не является элементарной задачей. Хотя листинг 1 и уменьшен до самых основных моментов, любое кодирование, базирующееся на обратных вызовах или координации (что является необходимым в многозадачных приложениях) будет менее привычным по сравнению с простой процедурной последовательностью. В данном случае наибольшая трудность заключена в массиве $read. Обратите внимание на то, что это ссылка; stream_select возвращает важную информацию путем изменения содержимого $read. Так же как указатели имеют репутацию постоянного источника ошибок в C, ссылки, по-видимому, являются той частью PHP, которая представляет наибольшую трудность для программистов.

Такую методику запросов можно использовать из любого числа внешних Web-сайтов, удостоверяясь в том, что программа будет получать каждый результат как можно быстрее, не ожидая других запросов. Фактически, данная методика корректно работает с любым TCP/IP-соединением, а не только с Web (порт 80), то есть в принципе вы можете управлять извлечением LDAP-данных, передачей SMTP, SOAP-запросами и т.д.

Но это не все. PHP V5 управляет различными соединениями как "потоками" (stream), а не простыми сокетами. Библиотека PHP Client URL (CURL) поддерживает HTTPS-сертификаты, исходящую FTP-загрузку, куки и многое другое (CURL позволяет PHP-приложениям использовать различные протоколы для соединения с серверами). Поскольку CURL предоставляет интерфейс stream, с точки зрения программы соединение прозрачно. В следующем разделе рассказывается, как stream_select мультиплексирует даже локальные вычисления.

Для stream_select существует несколько предостережений. Эта функция не документирована, поэтому не рассматривается даже в новых книгах по PHP. Несколько примеров кода, доступные в Web, просто не работают или не понятны. Второй и третий аргументы stream_select, управляющие каналами write и exception, соответствующими каналам read в листинге 1, почти всегда должны быть равны null. За некоторыми исключениями выбор этих каналов является ошибкой. Если вы не имеете достаточного опыта, используйте только хорошо описанные варианты.

Кроме того, в stream_select, по всей видимости, имеются ошибки, по крайней мере, в PHP V5.1.2. Наиболее существенным является то, что значению возврата функции нельзя доверять. Хотя я еще не отладил реализацию, мой опыт показал, что безопасно тестировать count($read) так, как в листинге 1, но это не относится к значению возврата самой stream_select, несмотря на официальную документацию.


Локальный параллелизм PHP

Пример и основная часть обсуждения выше были посвящены тому, как управлять несколькими удаленными ресурсами одновременно и получать результаты по мере их появления, а не ожидать обработки каждого в порядке первоначальных запросов. Это, несомненно, важное применение параллелизма PHP. Иногда реальные приложения можно ускорить в десять и более раз.

Что если замедление происходит поближе? Есть ли способ ускорить получение результатов в PHP при локальной обработке? Есть несколько. Пожалуй, они еще менее известны, чем ориентированный на сокеты подход в листинге 1. Этому есть несколько причин, в том числе:

  • В своем большинстве PHP-страницы достаточно быстры. Лучшая производительность могла бы быть преимуществом, но этого недостаточно для оправдания инвестиций в новый код.
  • Использование PHP в Web-страницах может сделать частичные ускорения кода не важными. Перераспределение вычислений таким образом, чтобы получать промежуточные результаты быстрее, не имеет значения, когда единственным критерием является скорость доставки Web-страницы в целом.
  • Немного локальных узких мест находится под контролем PHP. Пользователи могут выражать недовольство тем, что извлечение информации об учетной записи занимает 8 секунд, но это может быть ограничением обработки базы данных или каких-либо других ресурсов, внешних для PHP. Даже если уменьшить время PHP-обработки до нуля, все равно будет затрачено более 7 секунд просто на поиск.
  • Еще меньшее количество ограничений поддается параллельной обработке. Предположим, что конкретная страница вычисляет рекомендуемую цену для перечисленных обыкновенных акций, а вычисления достаточно сложны и выполняются в течение многих секунд. Вычисление может быть последовательным по природе. Не существует очевидного способа распределить его для "совместной работы".
  • Мало PHP-программистов понимает потенциал PHP для реализации параллельной обработки. Говоря о возможности распараллеливания, большинство из встреченных мной программистов просто цитировали фразу "PHP не работает с потоками" и возвращались к своей сложившейся модели вычислений.

Иногда можно добиться большего. Предположим, что PHP-страница должна вычислить два биржевых курса, возможно, сравнить их, а используемый хост-компьютер является многопроцессорным. В данном случае мы можем почти удвоить производительность, назначив два отдельных, выполняющихся продолжительное время вычисления различным процессорам.

В мире PHP-вычислений такие примеры являются редкостью. Однако поскольку я больше нигде не нашел точного описания, хочу привести здесь пример подобного ускорения.

Листинг 5. Реализация сервера задержек
          <?php
          echo "Program starts at ". date('h:i:s') . ".\n";
          
          $timeout=10; 
          $streams=array();
          $handles=array();
          
	  /*Сначала запустить программу с задержкой в 3 секунды, затем
	     ту, которая возвращает результат после одной секунды. */
          $delay=3;
          for ($id=0; $id <= 1; $id++) {
	      $error_log="/tmp/error" . $id . ".txt"
              $descriptorspec=array(
                  0 => array("pipe", "r"),
                  1 => array("pipe", "w"),
                  2 => array("file", $error_log, "w")
              );
              $cmd='sleep ' . $delay . '; echo "Finished with delay of ' .
                      $delay . '".';
              $handles[$id]=proc_open($cmd, $descriptorspec, $pipes);
              $streams[$id]=$pipes[1];
              $all_pipes[$id]=$pipes;
              $delay -= 2;
          }
          
          while (count($streams)) { 
              $read=$streams; 
              stream_select($read, $w=null, $e=null, $timeout); 
              foreach ($read as $r) { 
                  $id=array_search($r, $streams); 
                  echo stream_get_contents($all_pipes[$id][1]);
                  if (feof($r)) {
                      fclose($all_pipes[$id][0]);
                      fclose($all_pipes[$id][1]);
                      $return_value=proc_close($handles[$id]);
                      unset($streams[$id]); 
                  }
              } 
          } 
         ?>

Данная программа выведет на экран следующую информацию:

	  Program starts at 10:28:41.
	  Finished with delay of 1.
	  Finished with delay of 3.

Смысл заключается в том, что PHP запустил два независимых субпроцесса, получил данные от первого, а затем от второго, хотя последний стартовал раньше. Если хост-компьютер является многопроцессорным, а операционная система корректно настроена, она сама заботится о назначении различных субпрограмм разным процессорам. Это один из способов использования преимуществ многопроцессорных машин в PHP.


Резюме

PHP поддерживает многозадачность. PHP не поддерживает обработку потоков так, как это делают другие языки программирования, например Java™ или C++, но приведенные выше примеры показали, что PHP имеет более высокий потенциал для ускорения работы, чем многие себе представляют.

Ресурсы

Научиться

Получить продукты и технологии

Обсудить

Комментарии

developerWorks: Войти

Обязательные поля отмечены звездочкой (*).


Нужен IBM ID?
Забыли Ваш IBM ID?


Забыли Ваш пароль?
Изменить пароль

Нажимая Отправить, Вы принимаете Условия использования developerWorks.

 


Профиль создается, когда вы первый раз заходите в developerWorks. Информация в вашем профиле (имя, страна / регион, название компании) отображается для всех пользователей и будет сопровождать любой опубликованный вами контент пока вы специально не укажите скрыть название вашей компании. Вы можете обновить ваш IBM аккаунт в любое время.

Вся введенная информация защищена.

Выберите имя, которое будет отображаться на экране



При первом входе в developerWorks для Вас будет создан профиль и Вам нужно будет выбрать Отображаемое имя. Оно будет выводиться рядом с контентом, опубликованным Вами в developerWorks.

Отображаемое имя должно иметь длину от 3 символов до 31 символа. Ваше Имя в системе должно быть уникальным. В качестве имени по соображениям приватности нельзя использовать контактный e-mail.

Обязательные поля отмечены звездочкой (*).

(Отображаемое имя должно иметь длину от 3 символов до 31 символа.)

Нажимая Отправить, Вы принимаете Условия использования developerWorks.

 


Вся введенная информация защищена.


static.content.url=http://www.ibm.com/developerworks/js/artrating/
SITE_ID=40
Zone=Open source
ArticleID=312074
ArticleTitle=Разработка многозадачных приложений на PHP V5
publish-date=06042008