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PHP共享内存详解

简介: 前言 在PHP中有这么一族函数,他们是对UNIX的V IPC函数族的包装。 它们很少被人们用到,但是它们却很强大。巧妙的运用它们,可以让你事倍功半。 它们包括: 信号量(Semaphores) 共享内存(Shared Memory) 进程间通信(Inter-Process Messaging, IPC)   基于这些,我们完全有可能将PHP包装成一基于消息驱动的系统。

前言

在PHP中有这么一族函数,他们是对UNIX的V IPC函数族的包装。

它们很少被人们用到,但是它们却很强大。巧妙的运用它们,可以让你事倍功半。

它们包括:

  1. 信号量(Semaphores)
  2. 共享内存(Shared Memory)
  3. 进程间通信(Inter-Process Messaging, IPC)

 

基于这些,我们完全有可能将PHP包装成一基于消息驱动的系统。

但是,首先,我们需要介绍几个重要的基础:

1. ftok

  1. int ftok ( string pathname, string proj )
  2. //ftok将一个路径名pathname和一个项目名(必须为一个字符), 转化成一个整形的用来使用系统V IPC的key

2. ticks

Ticks是从PHP 4.0.3开始才加入到PHP中的,它是一个在declare代码段中解释器每执行N条低级语句就会发生的事件。N的值是在declare中的directive部分用ticks=N来指定的。

  1. function getStatus($arg){
  2.  print_r connection_status();
  3.  
  4.  debug_print_backtrace();
  5.  
  6. }
  7. reigster_tick_function("getStatus", true);
  8.  
  9. declare(ticks=1){
  10.  
  11.  for($i =1; $i<999; $i++){
  12.  
  13.  echo "hello";
  14.  
  15.  }
  16.  
  17. }
  18.  
  19. unregister_tick_function("getStatus");

这个就基本相当于:

  1. function getStatus($arg){
  2.  print_r connection_status();
  3.  
  4.  debug_print_backtrace();
  5.  
  6. }
  7.  
  8. reigster_tick_function("getStatus", true);
  9.  
  10. declare(ticks=1){
  11.  
  12.  for($i =1; $i<999; $i++){
  13.  
  14.  echo "hello"; getStatus(true);
  15.  
  16.  }
  17.  
  18. }
  19.  
  20. unregister_tick_function("getStatus");

消息,我现在用一个例子来说明,如何结合Ticks来实现PHP的消息通信。

  1. $mesg_key = ftok(__FILE__, 'm');
  2. $mesg_id = msg_get_queue($mesg_key, 0666);
  3.  
  4. function fetchMessage($mesg_id){
  5.  
  6.  if(!is_resource($mesg_id)){
  7.  
  8.  print_r("Mesg Queue is not Ready");
  9.  
  10.  }
  11.  
  12.  if(msg_receive($mesg_id, 0, $mesg_type, 1024, $mesg, false, MSG_IPC_NOWAIT)){
  13.  
  14.  print_r("Process got a new incoming MSG: $mesg ");
  15.  
  16.  }
  17.  
  18. }
  19.  
  20. register_tick_function("fetchMessage", $mesg_id);
  21.  
  22. declare(ticks=2){
  23.  
  24.  $i = 0;
  25.  
  26.  while(++$i < 100){
  27.  
  28.  if($i%5 == 0){
  29.  
  30.  msg_send($mesg_id, 1, "Hi: Now Index is :". $i);
  31.  }
  32.  }
  33. }
  34.  
  35. //msg_remove_queue($mesg_id);

在这个例子中,首先将我们的PHP执行Process加入到一个由ftok生成的Key所获得的消息队列中。

然后,通过Ticks,没隔俩个语句,就去查询一次消息队列。

然后模拟了消息发送。

在浏览器访问这个脚本,结果如下:

  1. Process got a new incoming MSG: s:19:"Hi: Now Index is :5";
  2. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :10";
  3. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :15";
  4. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :20";
  5. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :25";
  6. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :30";
  7. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :35";
  8. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :40";
  9. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :45";
  10. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :50";
  11. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :55";
  12. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :60";
  13. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :65";
  14. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :70";
  15. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :75";
  16. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :80";
  17. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :85";
  18. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :90";
  19. Process got a new incoming MSG: s:20:"Hi: Now Index is :95";

看到这里是不是,大家已经对怎么模拟PHP为事件驱动已经有了一个概念了? 别急,我们继续完善。

2. 信号量

信号量的概念,大家应该都很熟悉。通过信号量,可以实现进程通信,竞争等。 再次就不赘述了,只是简单的列出PHP中提供的信号量函数集。

  1. sem_acquire -- Acquire a semaphore
  2. sem_get -- Get a semaphore id
  3. sem_release -- Release a semaphore
  4. sem_remove -- Remove a semaphore

具体信息,可以翻阅PHP手册。

3. 内存共享

PHP sysvshm提供了一个内存共享方案:sysvshm,它是和sysvsem,sysvmsg一个系列的,但在此处,我并没有使用它,我使用的shmop系列函数,结合TIcks

  1. function memoryUsage(){
  2.  printf("%s: %s<br/>", date("H:i:s", $now), memory_get_usage());
  3.  
  4.  //var_dump(debug_backtrace());
  5.  
  6.  //var_dump(__FUNCTION__);
  7.  
  8.  //debug_print_backtrace();
  9.  
  10. }
  11.  
  12. register_tick_function("memoryUsage");
  13.  
  14. declare(ticks=1){
  15.  
  16. $shm_key = ftok(__FILE__, 's');
  17.  
  18. $shm_id = shmop_open($shm_key, 'c', 0644, 100);
  19.  
  20. }
  21.  
  22. printf("Size of Shared Memory is: %s<br/>", shmop_size($shm_id));
  23.  
  24. $shm_text = shmop_read($shm_id, 0, 100);
  25.  
  26. eval($shm_text);
  27.  
  28. if(!empty($share_array)){
  29.  
  30.  var_dump($share_array);
  31.  
  32.  $share_array['id'] += 1;
  33.  
  34. }else{
  35.  
  36.  $share_array = array('id' => 1);
  37.  
  38. }
  39.  
  40. $out_put_str = "$share_array = " . var_export($share_array, true) .";";
  41.  
  42. $out_put_str = str_pad($out_put_str, 100, " ", STR_PAD_RIGHT);
  43.  
  44. shmop_write($shm_id, $out_put_str, 0);
  45.  
  46. ?>

运行这个例子,不断刷新,我们可以看到index在递增。

单单使用这个shmop就能完成一下,PHP脚本之间共享数据的功能:以及,比如缓存,计数等等。

 

使用场景

监控汇总

目前正在用的一个场景,针对某一台机器上的错误进行汇总并报警,我们把一分钟之内的相同报警合并成一条,用共享内存来暂存,非常实用且高效。

PHP SESSION

如果你是单机的服务,且又启用了session,那么可以把session换成共享内存的来存储,会比文件要快上不少,这里还要强调是单机,这是最大的软肋,但就功能上来讲没有memcache方便。

什么是共享内存

共享内存是一种在同一台机器的不同进程(应用程序)之间交换数据的方式。一个进程可创建一个可供其他进程访问的内存段,并赋予它相应的权限。每个内存段拥有一个惟一的ID,我们通常称之为shmid,这个ID指向一个物理内存区域,其他进程可通过此ID来操作这块内存, 包扩读取、写入以及删除。

共享内存的使用是一种在进程之间交换数据的快速方法,主要因为在创建内存段之后传递数据,不会涉及内核。这种方法常常称为进程间通信 (IPC)。其他 IPC 方法包括管道、消息队列、RPC 和套接字。

PHP 中几种常见的共享内存使用方式

APC 可以缓存 PHP 的 opcode 提高应用的性能,可以在同个 PHP-FPM 进程池的进程间共享数据,常用功能如下:

  • apc_store
  • apc_fetch
  • apc_add
  • apc_delete
  • apcinc apcdec
  • apc_cas
  • apcclearcache
  • apcsmainfo

Shmop Unix 系统共享内存使用接口常用功能:

  • shmop_open
  • shmop_close
  • shmop_read
  • shmop_write
  • shmop_delete
ipcs -m 查看本机共享内存的状态和统计。
ipcrm -m shmid 或 ipcrm -M shmkey 清除共享内存中的数据。

SystemV Shm常用功能:

  • ftok
  • shm_attach
  • shm_detach
  • shmputvar
  • shmgetvar
  • shmremovevar

使用共享内存需要考虑操作的原子性和锁、并行和互斥。

sem 信号量相关函数: 
* semget * semremove * semacquire * semrelease

PHP 提供的 IPC 机制。

  • --enable-shmop 共享内存,只能按字节操作
  • --enable-sysvsem 信号量
  • --enable-sysvshm 共享内存,和 shmop 的差别是提供的操作函数不同,支持 key、value操作
  • --enable-sysvmsg 消息队列

本文主讲

如何使用 PHP shmop 创建和操作共享内存段,使用它们存储可供其他应用程序使用的数据。

1. 创建内存段

共享内存函数类似于文件操作函数,但无需处理一个流,您将处理一个共享内存访问 ID。第一个示例就是 shmopopen 函数,它允许您打开一个现有的内存段或创建一个新内存段。此函数非常类似于经典的 fopen 函数,后者打开用于文件操作的流,返回一个资源供其他希望读取或写入该打开的流的函数使用。让我们看看 shmopopen的用法:

<?php  
$key = ftok(__FILE__, 'h');
$mode = 'c';
$permissions = 0644;
$size = 1024;
$shmid = shmop_open($key, $mode, $permissions, $size);
?>

第一个参数($key):

系统建立IPC通讯 (消息队列、信号量和共享内存) 时必须指定一个key值。通常情况下,该key值通过ftok函数得到, * *key是一个我们逻辑上表示共享内存段的标识。不同进程只要选择同一个Key值就可以共享同一段存储段。

第二个参数($mode):

访问模式,它类似于fopen的访问模式,有以下几种

  • 模式 “a”,它允许您访问只读内存段
  • 模式 “w”,它允许您访问可读写的内存段
  • 模式 “c”,它创建一个新内存段,或者如果该内存段已存在,尝试打开它进行读写 *模式 “n”,它创建一个新内存段,如果该内存段已存在,则会失败,返回 false,并伴随有warning: unable to attach or create shared memory segment

第三个参数($permissions):

内存段的权限。您必须在这里提供一个八进制值,它类似于UNIX操作系统文件和目录的操作权限。

第四个参数($size):

内存段大小,以字节为单位。在写入一个内存段之前,您必须在它之上分配适当的字节数。

返回结果:

此函数返回一个 ID 编号,其他函数可使用该 ID 编号操作该共享内存段。这个 ID 是共享内存访问 ID,与系统 ID 不同,它以参数的形式传递。请注意不要混淆这两者。如果失败,shmop_open 将返回 FALSE。

shmop_open成功后,使用ipcs -m, 可以查看到刚刚创建的内存段,注意 申请的内存段有严格的权限,比如用root用户申请的,普通用户就无权访问

2. 向内存段写入数据

使用 shmop_write 函数向共享内存块写入数据。此函数的使用很简单,它仅接受 3 个参数,如下所示。

<?php  
//这里shmid可以延用上一段代码返回的shmid
$shmid = shmop_open(ftok(__FILE__,'h'), 'c', 0644, 1024); 
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);

?>

这个函数类似于 fwrite 函数, 在这里有三个参数。 * 第一个参数(shmidshmopopenIDshmid):是shmopopen返回的ID,它识别您操作的共享内存块。∗第二个参数(data):是您希望存储的数据。 * 第三个参数($offset):是您希望开始写入的位置。默认情况下,我们始终使用 0 来表示开始写入的位置。

返回结果:此函数在失败时会返回 FALSE,在成功时会返回写入的字节数。

3. 从内存段读取数据

从共享内存段读取数据很简单。您只需要一个打开的内存段和 shmop_read 函数,它接受三个参数,如下所示:

<?php  
$shmid = shmop_open(ftok(\__FILE_\_,'h'), 'c', 0644, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World\!", 0);  
var_dump(shmop_read($shmid, 0, 11));  
?>
  • 第一个参数($shmid):是 shmop_open 返回的 ID,它识别您操作的共享内存块。
  • 第二个参数($start):是您希望从内存段读取的位置,这个参数可以始终为0, 表示数据的开头
  • 第三个参数(countshmopsize(count):是您希望读取的字节数。一般情况下我们用shmopsize(shmid),以便完整的读取它。

4. 删除内存段

shmop_delete 该函数只接收一个参数,如下所示:

<?php  
$shmid = shmop_open(ftok(\__FILE_\_,'h'), 'c', 0644, 1024);
shmop_delete($shmid);  
?>

其实这个函数不会实际删除该内存段。它将该内存段标记为删除状态,因为共享内存段在有其他进程正在使用它时无法被删除。shmop_delete 函数将该内存段标记为删除,阻止任何其他进程打开它。要删除它,我们需要关闭该内存段。

5. 关闭内存段

打开一个共享内存段会 “附加” 到它。附加该内存段之后,我们可在其中进行读取和写入,但完成操作后,我们必须从它解除。

<?php  
$shmid = shmop_open(ftok(\__FILE_\_,'h'), 'c', 0644, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World\!", 0);  
shmop_delete($shmid); shmop_close($shmid);  
?>

共享内存的原子操作 - 信号控制

针对共享内存的写操作本身不是原子性的,那么当我们大量并发进行读写的时候,怎么保证原子性呢,这里要引入信号量进行控制。

PHP 也提供了内置扩展 sysvsem ,其实我们在看sysvsem 提供的一系列sem*的方法的时候,就会想到,这和上面提到的shmop*有什么区别呢,我们来看官房文档中的这一个解释:PHP already had a shared memory extension (sysvshm) written by Christian Cartus cartus@atrior.de, unfortunately this extension was designed with PHP only in mind and offers high level features which are extremely bothersome for basic SHM we had in mind.

也就是说:sysvshm 扩展提供的方法在存储之前对用户的数据进行serialize处理,这里就导致这个存储的数据是无法与其它语言共享的,这一系列方法是php only的方法。

引入信号控制之后的示例:

<?php  
$key = ftok(_FILE_, 'h') $mode = "c";
$permissions = 0755;
$size = 1024; // 内存段的大小,单位是字节
$semid = sem_get($key); # 请求信号控制权
if (sem_acquire($semid)) {  
    $shmid = shmop_open($key, 'c', 0644, 1024); # 读取并写入数据
    shmop_write($shmid, '13800138000', 0); # 关闭内存块
    shmop_close($shmid); # 释放信号 sem_release($semid);
}

共享内存的操作是非常快的,在本地想要模拟实现写入冲突是非常困难的,但是本地想模拟实现写入冲突实际上是非常难的(考虑到计算机的执行速度)。在本地测试中,使用 for 循环操作时如果不使用shmop_close 关闭资源会出现无法打开共享内存的错误警告。这应该是因为正在共享内存被上一次操作占用中还没有释放导致。

共享内存,memcache,文件的读写速度对比。

以下是同时读写1k的数据读写100000次的时间对比:

  读(s) 写(s)
memcache 7.8 8.11
file 2.6 3.2
shm 0.1 0.07

<?php
//$key = ftok(_FILE_, 'h'); //$key = ftok('/tmp/', 'h'); $key = 0xff4; $permissions = 0755; $size = 1024; // 内存段的大小,单位是字节 $semid = sem_get($key); # 请求信号控制权 if (sem_acquire($semid)) { $content = file_get_contents(__FILE__); $shmid = shmop_open($key, 'c', 0644, strlen($content)); # 读取并写入数据 shmop_write($shmid, $content, 0); # 关闭内存块 shmop_close($shmid); # 释放信号 sem_release($semid); }

 

<?php
/**
 * @param $fn
 */
function profile(callable $fn)
{
    $t = microtime(1);
    $i = 0;
    while ($i < 999) {
        $fn();
        ++$i;
    }
    var_dump('takes ', microtime(1) - $t);
}



$fnIO = function (){
    file_get_contents(__DIR__."/chmop_create.php");
};


$fn = function (){
    //$key = ftok('chmop', 'h');
//$key = ftok('/tmp/', 'h');
    $key = 0xff4;
    $permissions = 0755;
    $size = 1024; // 内存段的大小,单位是字节
    $semid = sem_get($key); # 请求信号控制权
    if (sem_acquire($semid)) {
        $shmid = shmop_open($key, 'a', 0644, 1024); # 读取并写入数据
        $out = shmop_read($shmid, 0, shmop_size($shmid)); # 关闭内存块
//        var_dump($out);
//        echo $out;
        shmop_close($shmid); # 释放信号 sem_release($semid);
    }
};
profile($fn);
profile($fnIO);

 这是Mac Pro 2014上的结果:

 

这是ali ECS的结果 :

 

可见,现代磁盘优化比咱们老观念中的性能要好些了~  

但利用内存依然是个不错的玩法~ 

谋胆并重

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