Swoole4.4協(xié)程搶占式調(diào)度器詳解

前言

Swoole內(nèi)核團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)的專欄，會(huì)逐漸投入精力寫(xiě)文章介紹Swoole的開(kāi)發(fā)歷程，實(shí)現(xiàn)原理，應(yīng)用實(shí)踐等，大家可以更好的交流，共同學(xué)習(xí)，建設(shè)PHP生態(tài)。

協(xié)程調(diào)度

去年Swoole推出了4.0版本后，完整的支持PHP協(xié)程，我們可以基于協(xié)程實(shí)現(xiàn)CSP編程，身邊的開(kāi)發(fā)者驚呼，原來(lái)PHP代碼還可以這樣寫(xiě)。Swoole的協(xié)程默認(rèn)是基于IO調(diào)度，程序中有阻塞會(huì)自動(dòng)讓出當(dāng)前協(xié)程，協(xié)程的各種優(yōu)勢(shì)我們不在這里展開(kāi)討論。如果是IO密集型的場(chǎng)景，可以表現(xiàn)得很不錯(cuò)。但是對(duì)于CPU密集型的場(chǎng)景，會(huì)導(dǎo)致一些協(xié)程因?yàn)榈貌坏?code>CPU時(shí)間片被餓死。

搶占式調(diào)度

我們?cè)诮衲昴瓿蹙陀?jì)劃實(shí)現(xiàn)Swoole的搶占式調(diào)度，以滿足實(shí)現(xiàn)有些場(chǎng)景下的不均衡調(diào)度帶來(lái)的問(wèn)題。我們中間經(jīng)歷了幾個(gè)版本，在這里和大家分享一下開(kāi)發(fā)過(guò)程中的動(dòng)機(jī)和解決辦法。

我們目的是為了均衡調(diào)度每個(gè)協(xié)程的CPU時(shí)間，比如協(xié)程3需要比較長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，我們必須把協(xié)程3的CPU時(shí)間主動(dòng)中斷，而不依賴IO事件，使得每個(gè)協(xié)程得到平均的執(zhí)行時(shí)間。

起初，我們的想法是可以從PHP的循環(huán)中自動(dòng)檢測(cè)執(zhí)行實(shí)踐，若達(dá)到限制，可以自動(dòng)讓出當(dāng)前協(xié)程。因?yàn)楫吘购苌儆腥艘获R平川的寫(xiě)出占用很多CPU的代碼，大都通過(guò)循環(huán)條件來(lái)控制。我們hook循環(huán)指令，每次執(zhí)行循環(huán)指令的時(shí)候，都來(lái)檢查協(xié)程的執(zhí)行時(shí)間，我們很欣喜的得到了最初的版本。但是這樣做比較hack，而且opcode經(jīng)過(guò)opcache優(yōu)化后，情況會(huì)變得有些復(fù)雜。

后來(lái)我們使用PHP的ticks機(jī)制，也就是在PHP代碼編譯期間，注入ticks指令，可以執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，我們可以在這些函數(shù)中檢測(cè)處理協(xié)程的時(shí)間，達(dá)到搶占式的效果，但是這里有一個(gè)問(wèn)題，PHP的declare(ticks=N)語(yǔ)法，只對(duì)當(dāng)前腳本范圍有效，也就是說(shuō)項(xiàng)目稍微大點(diǎn)，require或者include進(jìn)來(lái)的腳本，并不會(huì)自動(dòng)注入ticks指令，這樣Swoole開(kāi)發(fā)者幾乎是無(wú)法接受的。我們也試圖給PHP官方提一個(gè)PR，可以在擴(kuò)展層設(shè)置一個(gè)全局默認(rèn)的ticks，但是官方不愿意采納我們的提交，因?yàn)楣俜接X(jué)得這個(gè)功能對(duì)性能損耗比較大，而且有可能在PHP8移除這個(gè)功能。其實(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)這個(gè)性能損耗并不大，而且我們已經(jīng)在生產(chǎn)環(huán)境驗(yàn)證，并取得了顯著的效果，即可以讓出某些CPU密集的邏輯部分，使得服務(wù)整個(gè)相應(yīng)時(shí)間更加均衡。

下圖是我們生產(chǎn)環(huán)境一個(gè)RPC接口的調(diào)用端統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，客戶端等待超時(shí)時(shí)間為2s,超時(shí)則統(tǒng)計(jì)為錯(cuò)誤。

左邊一側(cè)是沒(méi)有搶占式調(diào)度，右側(cè)是開(kāi)了搶占式調(diào)度，可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)總是會(huì)有偶爾超時(shí)情況，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，沒(méi)有一個(gè)超時(shí)的請(qǐng)求，請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間非常平滑，提升了服務(wù)的穩(wěn)定性。

可以從上圖看出，由于搶占式調(diào)度的加入，去除了請(qǐng)求耗時(shí)高的毛刺，使得平均請(qǐng)求時(shí)間變得更加平滑，穩(wěn)定。

想要做搶占式調(diào)度，對(duì)于PHP來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)途徑

• 單線程的PHP的執(zhí)行流，通過(guò)執(zhí)行指令做文章，可以在PHP執(zhí)行流程中注入邏輯，以檢查執(zhí)行時(shí)間，再加上Swoole的協(xié)程能力，可以在不同的協(xié)程中切換，以達(dá)到搶占CPU的目的。
• 考慮開(kāi)線程，負(fù)責(zé)檢查當(dāng)前執(zhí)行協(xié)程執(zhí)行時(shí)間。

經(jīng)過(guò)以上辦法的嘗試，注入指令的路數(shù)基本是無(wú)法得到官方的支持，我們只能另謀出路，多開(kāi)一個(gè)線程，只負(fù)責(zé)檢查當(dāng)前協(xié)程。具體的做法是，利用PHP-7.1.0引入的VM interrupt機(jī)制，默認(rèn)每隔5ms檢查一下當(dāng)前協(xié)程是否達(dá)到最大執(zhí)行時(shí)間，默認(rèn)為10ms，如果超過(guò)，則讓出當(dāng)前協(xié)程，達(dá)到被其他協(xié)程搶占的目的。

示例代碼

需要Swoole 4.4或更高版本

?php
Co::set(['enable_preemptive_scheduler' => 1]);
$start = microtime(1);
echo "start\n";
$flag = 1;

go(function () use ($flag) {
 echo "coro 1 start to loop\n";
 $i = 0;
 for (;;) {
  if (!$flag) {
   break;
  }
  $i++;
 }
 echo "coro 1 can exit\n";
});
 
$end = microtime(1);
$msec = ($end - $start) * 1000;
echo "use time $msec\n";
go(function () use ($flag) {
 echo "coro 2 set flag = false\n";
 $flag = false;
});
echo "end\n";

執(zhí)行結(jié)果

start
coro 1 start to loop
use time 11.121988296509
coro 2 set flag = false
end
coro 1 can exit

可以發(fā)現(xiàn)，代碼邏輯可以從第一個(gè)協(xié)程的死循環(huán)中自動(dòng)yield出來(lái),執(zhí)行第二個(gè)協(xié)程，如果沒(méi)有這個(gè)特性，第二個(gè)協(xié)程永遠(yuǎn)不會(huì)被執(zhí)行，導(dǎo)致被餓死。而這樣做，第二個(gè)協(xié)程可以順利被執(zhí)行，最后執(zhí)行結(jié)束后，第一個(gè)協(xié)程也會(huì)接著繼續(xù)往下執(zhí)行。達(dá)到我們的第二個(gè)協(xié)程主動(dòng)搶占第一個(gè)協(xié)程CPU的效果。

這個(gè)特性在生產(chǎn)環(huán)境非常有用，尤其是對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)或者響應(yīng)時(shí)間比較敏感的場(chǎng)景。

最后

感謝大家對(duì) Swoole 的長(zhǎng)期支持和關(guān)注。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。