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PHP多任务，并发并行，多线程，协程等知识点理解

2020-01-09 PHP领域码农程序

多任务 (并行和并发)
在讲协程之前，先谈谈多进程、多线程、并行和并发。
对于单核处理器，多进程实现多任务的原理是让操作系统给一个任务每次分配一定的 CPU 时间片，然后中断、让下一个任务执行一定的时间片接着再中断并继续执行下一个，如此反复。
由于切换执行任务的速度非常快，给外部用户的感受就是多个任务的执行是同时进行的。

多进程的调度是由操作系统来实现的，进程自身不能控制自己何时被调度，也就是说：进程的调度是由外层调度器抢占式实现的

而协程要求当前正在运行的任务自动把控制权回传给调度器，这样就可以继续运行其他任务。这与抢占式的多任务正好相反, 抢占多任务的调度器可以强制中断正在运行的任务, 不管它自己有没有意愿。如果仅依靠程序自动交出控制的话，那么一些恶意程序将会很容易占用全部 CPU 时间而不与其他任务共享。

协程的调度是由协程自身主动让出控制权到外层调度器实现的
协程可以理解为纯用户态的线程，通过协作而不是抢占来进行任务切换。
相对于进程或者线程，协程所有的操作都可以在用户态而非操作系统内核态完成，创建和切换的消耗非常低。

简单的说协程就是提供一种方法来中断当前任务的执行，保存当前的局部变量，下次再过来又可以恢复当前局部变量继续执行。

我们可以把大任务拆分成多个小任务轮流执行，如果有某个小任务在等待系统 IO，就跳过它，执行下一个小任务，这样往复调度，实现了 IO 操作和 CPU 计算的并行执行，总体上就提升了任务的执行效率，这也便是协程的意义

多线程
在单核下，多线程必定是并发的；
不过现在的统一进程的多线程是可以运行在多核CPU下，所以可以是并行的

并发（Concurrency）
是指能处理多个同时性活动的能力，并发事件之间不一定要同一时刻发生。

并行（Parallesim）
是指同时发生的两个并发事件，具有并发的含义，而并发则不一定并行。
多个操作可以在重叠的时间段内进行。

并行和并发区别
并发指的是程序的结构，并行指的是程序运行时的状态
并行一定是并发的，并行是并发设计的一种
单线程永远无法达到并行状态

协程
协程的支持是在生成器的基础上, 增加了可以回送数据给生成器的功能(调用者发送数据给被调用的生成器函数).
这就把生成器到调用者的单向通信转变为两者之间的双向通信.
我们在上篇文章已经讲过了send方法，下面让我们理解下协程

在没有涉及到异步执行代码之前，我们的代码都是这样的

function printNum($max, $caller)
{
  for ($i=0; $i<$max; $i++ ) {
    echo "调度者:" . $caller . " 打印:" . $i . PHP_EOL;
  }
}

printNum(3, "caller1");
printNum(3, "caller2");

# output
调度者:caller1 打印:0
调度者:caller1 打印:1
调度者:caller1 打印:2
调度者:caller2 打印:0
调度者:caller2 打印:1
调度者:caller2 打印:2

使用协程后改进的代码，初稿，手动调整生成器执行

# 本代码手动调整了进程执行代码的顺序，当然本代码实现不用协程也可以，只是利用本流程说明协程作用
# 生成器给了我们函数中断，协程[生成器send]给了我们重新唤起生成器函数的能力
function printNumWithGen($max)
{
  for ($i=0; $i<$max; $i++ ) {
    $res = yield $i;
    echo $res;
  }
}

$gen1 = printNumWithGen(3);
$gen2 = printNumWithGen(3);

// 手动执行caller1 再 caller2
$gen1->send("调度者: caller1 打印:" . $gen1->current() . PHP_EOL);
$gen2->send("调度者: caller2 打印:" . $gen2->current() . PHP_EOL);

// 手动执行caller1 再 caller2
$gen1->send("调度者: caller1 打印:" . $gen1->current() . PHP_EOL);
$gen2->send("调度者: caller2 打印:" . $gen2->current() . PHP_EOL);

// 手动执行caller2 再 caller1
$gen2->send("调度者: caller2 打印:" . $gen2->current() . PHP_EOL);
$gen1->send("调度者: caller1 打印:" . $gen1->current() . PHP_EOL);

# output
调度者: caller1 打印:0
调度者: caller2 打印:0
调度者: caller1 打印:1
调度者: caller2 打印:1
调度者: caller2 打印:2
调度者: caller1 打印:2

自定义简单定时执行任务示例：

class timer {
 private $start = 0; // 定时开始时间
 private $timer; // 间隔的时间差，单位秒
 private $value = 0; // 产生的结果值
 private $callback; // 异步回调
 private $isEnd = false; // 当前定时器任务是否结束
 public function __construct($timer,callable $callback)
 {
 $this->start = time();
 $this->timer = $timer;
 $this->callback = $callback;
 }
 public function run() {
 if($this->valid()) {
 $callback = $this->callback;
 $callback($this->value ++,$this);
 $this->start = time();
 }
 }
 /**
 * 定时执行检查
 */
 public function valid() {
 $end = time();
 if($end - $this->start >= $this->timer) {
 return true;
 } else {
 return false;
 }
 }
 public function setEnd($isEnd) {
 $this->isEnd = $isEnd;
 }
 public function getEnd() {
 return $this->isEnd;
 }
}

/**
 * 模拟阻塞的协程1
 *
 */
function taskObject1() {
 $timer = new timer(1,function($value,timer $timer) {
 if($value >= 5) {
 $timer->setEnd(true);
 }
 echo '<br>'.'A '.$value;
 });
 $tid = (yield getTaskId());
 while (true) {
 if($timer->getEnd() == true) {
 break;
 }
 yield $timer->run();
 }
}
/**
 * 模拟阻塞的协程2
 *
 */
function taskObject2() {
 $timer = new timer(2,function($value,timer $timer) {
 if($value >= 3) {
 $timer->setEnd(true);
 }
 echo '<br>'.'B '.$value;
 });
 $tid = (yield getTaskId());
 while (true) {
 if($timer->getEnd() == true) {
 break;
 }
 yield $timer->run();
 }
}
$scheduler = new Scheduler;
$scheduler->newTask(taskObject1());
$scheduler->newTask(taskObject2());
$scheduler->run();

以上实现的是：

产生两个任务，并行执行，并且给每个任务在执行的时候模拟几秒钟的阻塞；
让协程切换的时候能顺利切换，其中的任务阻塞不相互影响；

思考：
我为什么要做以上这件事情呢？因为我发现协程实现虽然很强大也很有意思，能让多任务并行，但是我在其中一个任务里调用系统函数 sleep() 的时候,阻塞任务会阻止协程切换，其实从协程的实现原理上来书也是这么回事。

那么，我也就想模拟协程阻塞，但是不产生阻塞看是否可行。PHP本身只提供了生成器为协程调用提供了支撑，如果不依赖扩展，没有提供多线程的程序实现方式，没有java那么强大，可以开子线程进行实现。

我印象中java的子线程是独立执行且不会相互阻塞的，所以我在想，PHP既然可以实现类似于多线程这样的机制，那么能不能实现调用过程中非阻塞呢？
经过这样一个实现和思考，一开始是陷入了一个误区的，是由于PHP原生函数 sleep() 阻塞造成的思维误区，那就是认为要想真正实现非阻塞或者说实现异步的话，是必须依赖于语言底层的。

后来，我想明白了一个道理，既然某个方法或者函数在执行过程中，会产生阻塞，那么把当前这个方法换成自定义的，做成非阻塞（相对于整个协程调度来说）不就行了吗？比如上面的定时执行我自己实现了一个。

而另一方面，协程调度本身的目的也是为了把任务执行过程切成尽量小片，从而快速切换执行，达到并行的目的。从这方面来看，协程应该也算是一种程序设计思想。

以下是一个程序切成尽量小片执行的例子：

// 一个简单的例子
<?php
function xrange($start, $end, $step = 1) {
 for ($i = $start; $i <= $end; $i += $step) {
 yield $i;
 }
}

foreach (xrange(1, 1000000) as $num) {
 echo $num, "
";
}

这个例子是把原本用 range 生成一个很大的整型数组的方式切换为分片执行，也就是说在遍历的时候再去取到指定的值，从代码上来看，内存消耗相对于之前来说就非常小了。