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2021
06-05

Laravel和Swoole之间加了一个Shadowfax，会怎么样呢？

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现在来聊聊Shadowfax是如何整合Laravel与Swoole的。




PHP为什么“慢”



众所周知，PHP是一门解释型语言，解释型语言的特点就是运行时才编译。PHP脚本在执行时先由Zend引擎解析并构建语法树，然后将语法树编译成opcode，最后执行opcode。并且每次执行都会重复上述步骤，这是其性能低下的原因之一。不过PHP早在5.5版本的时候就引入了opcache技术，解析和编译过后遍将opcode缓存下来，使性能得到了质的提升。但由于PHP每次都会分配新的内存来执行opcode，这使得其无法复用资源。而Swoole可以改变这一切，它使程序常驻内存，不仅让程序代码只解析和编译一次，还可以实现资源复用，从而大幅提升程序运行的效率。




简易版整合



让Laravel运行在Swoole之上的思路其实不难。熟悉Swoole的朋友应该知道使用Swoole创建一个HTTP服务器只需要设置一个request回调即可，那么我们将Laravel搬到request回调里面来执行不就好了吗？的确如此，我们来尝试一下，首先创建一个新的Laravel项目： 



composer create-project --prefer-dist laravel/laravel


然后在Laravel项目的根目录创建一个swoole.php脚本，代码如下： 





<?php

require __DIR__.'/vendor/autoload.php';

use HuangYi\Shadowfax\Http\Request;

use HuangYi\Shadowfax\Http\Response;

use Illuminate\Contracts\Http\Kernel;

use Swoole\Http\Server;

$server = new Server('127.0.0.1', 9501);

$server->set([

   'worker_num' => 1,

   'enable_coroutine' => false,

]);

$server->on('request', function ($request, $response) {

   $app = require __DIR__.'/bootstrap/app.php';

   $kernel = $app->make(Kernel::class);

   $illuminateResponse = $kernel->handle(

       $illuminateRequest = Request::make($request)->toIlluminate()

   );

   Response::make($illuminateResponse)->send($response);

   $kernel->terminate($illuminateRequest, $illuminateResponse);

});

$server->start();




有阅读过Laravel源码经验的朋友就会发现，request回调中的代码其实就是public/index.php中的代码，只是多了两个陌生的类：HuangYi\Shadowfax\Http\Request和HuangYi\Shadowfax\Http\Response，这两个类都来自huang-yi/shadowfax包。由于Swoole的request/response对象和Laravel的request/response对象是不兼容的，所以需要进行转换，而这两个类就是负责兼容工作的，我们不比关心它们的具体实现，只需要将huang-yi/shadowfax包require到当前项目中供我们使用即可（composer require huang-yi/shadowfax）。接下来运行脚本： 





php swoole.php



然后打开浏览器，访问http://127.0.0.1:9501，是不是看到了熟悉的Laravel欢迎页。到这儿我们已经完成了一版最简易的整合，如果做一下benchmark测试，你会发现它的性能已经比运行在PHP-FPM之上的Laravel好了不少。


复用容器



熟悉Laravel的朋友都知道IoC容器是整个框架的核心，几乎所有Laravel提供的服务都被注册在IoC容器中。每当容器启动时，Laravel就会将大部分服务注册到容器中来，有些服务还会去加载文件，比如配置、路由等，可以说启动容器是比较“耗时”的。我们再次观察上面的脚本，可以看到request回调的第一行就是创建IoC容器（$app），这也意味着每次在处理请求时都会创建一次容器，这样不仅重复执行了许多代码，还造成不小的IO开销，所以上述脚本显然不是最优的做法。




那我们试试只创建一个容器，再让所有的请求都复用这个容器。我们可以在worker进程启动时（也就是workerStart回调中）创建并启动容器，这样在request回调中就能复用了。现在将swoole.php调整一下： 





<?php

require __DIR__.'/vendor/autoload.php';

use HuangYi\Shadowfax\Http\Request;

use HuangYi\Shadowfax\Http\Response;

use Illuminate\Contracts\Http\Kernel;

use Illuminate\Http\Request as IlluminateRequest;

use Swoole\Http\Server;

$server = new Server('127.0.0.1', 9501);

$server->set([

   'worker_num' => 1,

   'enable_coroutine' => false,

]);

$app = null;

$server->on('workerStart', function () use (&$app) {

   $app = require __DIR__.'/bootstrap/app.php';

   $app->instance('request', IlluminateRequest::create('http://localhost'));

   $app->make(Kernel::class)->bootstrap();

});

$server->on('request', function ($request, $response) use (&$app) {

   $kernel = $app->make(Kernel::class);

   $illuminateResponse = $kernel->handle(

       $illuminateRequest = Request::make($request)->toIlluminate()

   );

   Response::make($illuminateResponse)->send($response);

   $kernel->terminate($illuminateRequest, $illuminateResponse);

});

$server->start();




重新运行swoole.php后，打开浏览器调试工具再次请求首页，你会发现页面响应速度更快了。如果使用benchmark工具进行测试，也会发现比第一版脚本的性能又提升了不少。




资源污染问题



说起资源复用就不得不面对资源污染的问题。传统的PHP程序每次执行完毕后就会被销毁，不会对下一次执行造成任何影响，所以PHP程序员很少去操心变量污染的问题。Laravel出于对性能的考虑，大量的服务都是以单例的形式注册在IoC容器之中的，而这些单例在常驻内存的程序中很容易引起副作用。举个简单的例子，Laravel的auth组件就是一个典型的单例服务，在用户完成登录后会将当前的User对象保存在一个成员变量中，那么下一个请求在调用auth组件时，获得的User对象还是上一个请求保存的，这样就会引起用户身份错乱，从而导致数据异常，这是非常可怕的。




解决资源污染问题，我们只需要在请求结束后清理掉或者还原那些已经“污染了的资源”即可。针对Laravel容器里面的服务，我们可以这样清理： 





<?php

/** @var \Illuminate\Contracts\Container\Container $app */

$abstract = 'auth';

$abstract = $app->getAlias($abstract);

$binding = $app->getBindings()[$abstract] ?? null;

unset($app[$abstract]);

if ($binding) {

   $app->bind($abstract, $binding['concrete'], $binding['shared']);

}




可以看到，如果abstract存在binding关系的话，会被重新绑定到容器中去，这样就能保证服务持续可用。这段代码可以在Shadowfax的源码中找到，位于src/Laravel/RebindsAbstracts.php。在Shadowfax的配置文件里提供了一个名为abstracts的数组来帮助开发者清理容器中被污染的服务。




当然，有些开发者会使用全局变量或者静态变量来存储数据，这些也属于容易被污染的资源，不过需要开发者自行处理。Shadowfax在程序执行的各个阶段都提供了事件接口，开发者可以通过监听事件来注入自己的代码。其中HuangYi\Shadowfax\Events\AppPushingEvent事件可以帮助开发者注入自定义的清理代码，这个事件会在Shadowfax回收容器之前触发，可以这样定义一个Listener： 





<?php

namespace App\Listeners;

use Illuminate\Contracts\Container\Container;

class CleanPollutedData

{

   public function handle(Container $app)

{

       // Clean polluted data here...

   }

}




然后在bootstrap/shadowfax.php文件中将自定义的Listener注册到事件监听中去： 





<?php // File 'bootstrap/shadowfax.php'

use App\Listeners\CleanPollutedData;

use HuangYi\Shadowfax\Events\AppPushingEvent;

$shadowfax->make('events')->listen(AppPushingEvent::class, new CleanPollutedData);

return $shadowfax;




启用协程



协程是Swoole的最强武器，也是实现高并发的精髓所在。那么在Laravel中使用协程会有问题吗？我们来做个简单的实验，首先启动Swoole的协程特性，将enable_coroutine设置为true即可，然后在routes/web.php里面添加两个测试路由： 





<?php

use Swoole\Coroutine;

app()->singleton('counter', function () {

   $counter = new stdClass;

   $counter->number = 0;

   return $counter;

});

Route::get('one', function () {

   app('counter')->number = 1;

   Coroutine::sleep(5);

   echo sprintf("one: %d\n", app('counter')->number);

});

Route::get('two', function () {

   app('counter')->number = 2;

   Coroutine::sleep(5);

   echo sprintf("two: %d\n", app('counter')->number);

});




上述代码首先在容器里面注册了一个counter单例，路由one将counter单例的number属性设置为1，然后模拟协程被挂起5秒，恢复后打印出number属性的值。路由two也类似，只是将number属性设置为了2。启动服务器后，我们先访问one，然后立马访问two（间隔不要超过5秒）。我们可以观察到Console输出的信息为： 





one: 2

two: 2




结果并没有符合我们的预期。这是因为容器是共享的，两个请求访问的是同一个counter单例，当请求one被挂起后，请求two将number属性修改为了2，所以导致请求one打印出来的值也是2。





那我们能不能用解决资源污染的方案来解决这个问题呢？当然是不行的，并且结果还会变的更诡异。请求one打印出来的数值依然是2，而请求two打印出来的数值是0。因为当请求one结束时，清理程序会将counter单例重置，此时number的值又变为了0。





所以在协程环境下我们不能共享IoC容器，我们应该为每个协程提供一个容器，这样才能保证程序的正常执行。那么问题又来了，当我们的应用并发量很大时，意味着同时运行的协程数也非常多，如果为每个协程都提供一个容器的话，内存岂不爆炸？这里我们就要用到“池”技术来解决这个问题，在worker进程启动的时候，利用Swoole的Channel创建一个容器池，当请求过来时从容器池里面取出一个容器供当前协程环境使用，结束后再归还到容器池里去，而那些取不到容器的协程就一直等待，直到取到容器再执行。





Shadowfax在启动worker进程时会判断服务器是否启用了协程特性，如果启用则创建容器池，否则复用一个容器，以达到最优的性能。





Shadowfax只会为每个request分配一个容器，如果有子协程，会使用父协程中的容器。





协程环境下的app()方法




Laravel的容器使用了单例模式，在它的构造函数里会调用static::setInstance($this)，这步操作会将创建的容器保存到一个静态变量里（Container::$instance），这样就可以通过Container::getInstance()方法获取到容器单例。此外Laravel还提供了一个助手函数app()来获取容器单例，并且这个函数被广泛使用。正是因为这个单例特性，在协程环境下如果我们使用app()函数时，获得的始终是同一个容器，这就导致容器池失去了作用。





最开始想到的解决方案是，每次从池中取出容器后，就立刻调用Container::setInstance()将其设置为全局容器（即覆盖Container::$instance的值）。但是这个方案存在一个问题，如果A协程在挂起期间执行了B协程，此时全局容器会被B协程的容器覆盖，那么当A协程恢复后再调用app()方法获得的将是B协程的容器。可惜Swoole并未提供coroutineYied和coroutineResume这类事件，不然我们可以通过监听事件来切换，真是令人头疼。





最后，Shadowfax使用了一种比较hack的解决方案。既然我们无法在恢复协程的时候切换，那就在Container::getInstance()方法里面切换吧。为了实现这个方案，首先需要将取出来的容器保存到当前协程的Context中，方便协程resume时直接从Context中取出。然后在Container::getInstance()方法中添加切换的逻辑，判断当前协程Context中的容器与全局容器是否为同一个，如果不是，则将当前协程的容器替换为全局容器即可。具体的实现可参考Shadowfax源码，位于src/helpers.php文件中的shadowfax_correct_container()函数。





接下来的难题就是如何将这段切换容器的代码注入到Container::getInstance()方法中去。最先想到的方案是通过类继承的方式，然后覆盖getInstance方法来实现注入。但这种方法需要将bootstrap/app.php里的Illuminate\Foundation\Application修改为继承后的类名，侵入性太强了，假如有一天我想切回PHP-FPM的模式，还需要将类名修改回去，所以果断放弃这个方案。





Shadowfax的做法是这样的，在程序启动时先读取vendor/laravel/framework/src/Illuminate/Container/Container.php的文本内容，然后使用字符串替换的方式将shadowfax_correct_container()函数写到getInstance方法里面去，再保存为一个新的coroutine_container.php文件，最后我们只需要将coroutine_container.php文件require到程序中来即可。需要明白的一点是，由于coroutine_container.php文件提供的也是Illuminate\Containe\Container类，一旦被require到程序中后，便不会再通过autoload去加载Laravel框架里面的Container类了，从而达到替换的功效。





现在，你可以放心地在程序里使用app()函数了。虽然这个方案很粗暴，但的确很有效，既能保障Shadowfax的功能，且程序脱离Shadowfax运行时依然是正常的。感兴趣的朋友可以阅读Shadowfax的源码，这段逻辑位于src/Bootstrap/CreateCoroutineContainer.php。





数据库连接池




现代Web应用几乎离不开数据库的使用，在协程环境下使用数据库如果不配合连接池，就会造成连接异常。当然，使用Swoole的Channel来创建连接池非常简单，但是如果直接在业务代码中使用连接池，程序员需要自行控制何时取何时回收，而且还不能使用Laravel的Model了，这点我是绝对不能接受的。还有一点，由于在业务代码中使用了Swoole的接口，这意味着你的程序必须运行在Swoole之上，再也无法切回PHP-FPM了。




Shadowfax做到了无感知的使用连接池，开发者依然像平时那样用Model来查询或者更新数据，唯一需要做的就是将程序中使用到的数据库连接名配置到db_pools当中即可。Shadowfax是如何做到的呢？我们只需要搞清楚一点就能明白原理了，Laravel中的数据库连接都是通过Illuminate\Database\DatabaseManager::connection()方法来获取的，我们可以继承这个类并改造connection()方法，如果取的是db_pools中配置的连接，那么就从对应的连接池中获取。最后使用这个改造后的类注覆盖原来的db服务即可。具体的实现就请阅读源码吧，文件为src/Laravel/DatabaseManager.php。




当然，Shadowfax也支持redis连接池，只需要将程序中使用到的连接名配置到redis_pools当中即可。





结束语




相信使用这个拓展包的人和我一样都非常喜欢Laravel，Laravel的开发体验让我们爱不释手，所以Shadowfax在整个设计过程中都会去避免破坏这种体验，尽量让开发者以最小的成本将Laravel应用运行到Swoole之上来，以获得性能的提升。





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