PHP协程

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PHP回顾系列目录

PHP自5.5起引入了生成器(Generator)，基于其可实现协程编程。本文先回顾生成器，然后过渡到协程编程。

yield与生成器

生成器

生成器是一种数据类型，实现了iterator接口。不能通过new得到生成器实例，也没有获取生成器实例的静态方法。得到生成器实例的唯一办法是调用生成器函数（包含yield关键字的函数）。调用生成器函数直接返回一个生成器对象，生成器运行时函数内的代码才开始执行。

先上代码直观感受一下yield与生成器：

# generator1.php
function foo() {
    exit('exit script when generator runs.');
    yield;
}

$gen = foo();
var_dump($gen);
$gen->current();

echo 'unreachable code!';

# 执行结果
object(Generator)#1 (0) {
}
exit script when generator runs.

foo函数包含yield关键字，变身为生成器函数。调用foo不会执行函数体中的任何代码，而是返回一个生成器实例。生成器运行后，foo函数内的代码执行，脚本结束。

如其名，生成器可以用来生成数据。只是其生成数据的方式与其他函数不一样：生成器通过yield返回数据，而非return; yield返回数据后，生成器函数不会销毁，只是暂停运行，未来可以从暂停处恢复运行；生成器运行一次，(只)返回一个数据，多次运行就返回多个数据；不调用生成器获取数据，生成器内的代码就躺着不动，所谓动次打次，说的就是生成器生成数据的样子。

生成器实现了迭代器接口，获取生成器数据可以用foreach循环或手工current/next/valid。如下代码演示数据生成和遍历：

# generator2.php
function foo() {
  # 返回键值对数据
  yield "key1" => "value1";
  $count = 0;
  while ($count < 5) {
    # 返回值，key自动生成
    yield $count;
    ++ $count;
  }
  # 不返回值，相当于返回null
  yield;
}

# 手动获取生成器数据
$gen = foo();
while ($gen->valid()) {
  fwrite(STDOUT, "key:{$gen->key()}, value:{$gen->current()}/n");
  $gen->next();
}

# foreach 遍历数据
fwrite(STDOUT, "/ndata from foreach/n");
foreach (foo() as $key => $value) {
    fwrite(STDOUT, "key:$key, value:$value/n");
}

yield

yield关键字是生成器的核心，其让普通函数异化(进化)为生成器函数。yield有“让出”的意思，程序执行到yield语句会暂停执行，让出CPU并将控制权返回到调用者，下次执行时从中断点继续执行。控制权返回到调用者时，yield语句可以携带值返回给调用方。generator2.php脚本演示了yield返回值的三种形式：

  1. yield $key => $value: 返回数据的key和value;
  2. yield $value: 返回数据，key由系统分配；
  3. yield: 返回null值，key由系统分配；

yield让函数可以随时暂停、继续执行，并返回数据给调用方。如果继续执行时需要外部数据，这个工作由生成器的send函数提供：出现在yield左边等号的变量会接收send传来的值。看一个常见的send函数使用样例：

function logger(string $filename) {
  $fd = fopen($filename, 'w+');
  while($msg = yield) {
    fwrite($fd, date('Y-m-d H:i:s') . ':' . $msg . PHP_EOL);
  }
  fclose($fd);
}

$logger = logger('log.txt');
$logger->send('program starts!');
// do some thing
$logger->send('program ends!');

send让生成器之间和外部有双向数据通信的能力：yield返回数据；send提供继续运行的支撑数据。由于send让生成器继续执行，这个行为与迭代器的next接口类似，next相当于send(null)。

其他

  1. $string = yield $data;的表达式在PHP7前不合法，需要加括号：$string = (yield $data);
  2. PHP5生成器函数不能return值，PHP7后可以return值，并通过生成器的getReturn获取返回的值。详情参考返回值的RFC：https://wiki.php.net/rfc/generator-return-expressions；
  3. PHP7新增了yield from语法，实现了生成器委托，详情请参考其RFC: https://wiki.php.net/rfc/generator-delegation；
  4. 生成器是单向迭代器，开动后不能调用rewind。

总结

相对于其他迭代器，生成器具有性能开销小、编码容易的特点。其作用主要体现在三个方面：

  1. 数据生成（生产者），通过yield返回数据；
  2. 数据消费（消费者），消费send传来的数据；
  3. 实现协程。

关于PHP中的生成器及基本用法，建议看看 2gua 大佬的博文：PHP之生成器，生动有趣且易懂。

协程编程

协程(coroutine)是随时可中断、恢复执行的子程序，yield关键字让函数拥有这种能力，所以可以用于协程编程。

进程、线程和协程

线程归属于进程，一个进程可有多个线程。进程是计算机分配资源的最小单位，线程是计算机调度执行的最小单位。进程和线程均由操作系统调度。

协程可以看成“用户态的线程”，需要用户程序实现调度。线程和进程由操作系统调度“抢占式”交替运行，协程主动让出CPU“协商式”交替运行。协程十分的轻量，协程切换不涉及线程切换，执行效率高，数目越多，越能体现协程的优势。

生成器和协程

生成器实现的协程属于无栈协程(stackless coroutine)，即生成器函数只有函数帧，运行时附加到调用方的栈上执行。不同于功能强大的有栈协程（stackful coroutine），生成器暂停后无法控制程序走向，只能将控制权被动的归还调用者；生成器只能中断自身，不能中断整个协程。当然，生成器的好处便是效率高（暂停时只需保存程序计数器即可），实现简单。

协程编程

说到PHP中的协程编程，相信大部分人已经看过鸟哥转载（翻译）的这篇博文：在PHP中使用协程实现多任务调度。原文作者 nikic 是PHP的核心开发者，生成器功能的倡议者和实现人。想深入了解生成器及基于其的协程编程，nikic关于生成器的RFC和鸟哥网站上的文章必读。

nikic的文章，生成器部分好懂，看完后用yield写个xrange类似函数肯定毫无压力。为什么一进入协程，就有点懵逼呢？

懵逼评论懵逼评论

先看看基于生成器的协程工作方式：协程协作式工作，即协程之间通过主动让出CPU达到多任务交替运行（即并发多任务，但不是并行）；一个生成器可看成一个协程，执行到yield语句，让出CPU控制权回到调用方，调用方继续执行其他协程或其他代码。

再来看鸟哥博客理解的难点何在。协程非常轻量，一个系统中可以同时存在成千上万个协程（生成器）。而操作系统不会对协程调度，安排协程执行的工作就落到开发者身上。部分人看不懂鸟哥文章的协程部分，是因为里面说协程编程少（写协程主要就是写生成器函数），而是花笔墨实现了一个协程的调度器(scheduler或者kernel)：模拟了操作系统，对所有协程进行公平调度。PHP开发一般的思维是：我写了这些代码，PHP引擎会调用我这些代码得到预期结果。而协程编程不仅要写干活的代码，还要写指导这些代码什么时候干活的代码。没有很好的把握作者的思维，理解起来自然会难一些。需要自行调度，这是生成器协程相对于原生协程(async/await形式)的一个缺点。

知道了协程是怎么回事，那么它能用来干什么？协程自行让出CPU来协作高效利用CPU，让出的时机当然应该是程序阻塞时。什么地方会让程序阻塞呢？用户态的代码鲜有阻塞，阻塞主要是系统调用。而系统调用的大头是IO，所以协程的主要应用场景在网络编程。为了让程序高性能、高并发，程序应该异步执行不能阻塞。既然异步执行，就需要通知和回调，写回调函数避免不了“回调地狱(callback hell)”的问题：代码可读性差，程序执行流程散落在层层回调函数中等。解决回调地狱的方式主要有两种：Promise和协程。协程能以同步的方式编写代码，在高性能网络编程(IO密集型)中是推荐的。

再回过头看PHP中的协程编程。PHP中基于生成器实现实现协程编程，优先推荐使用RecoilPHP、Amp等协程框架。这些框架已经写好了调度器，在其上开发直接写生成器函数，内核会自动调度执行（想让一个函数以协程方式调度执行，在函数体内加上yield即可）。如果不想用yield方式进行协程编程，推荐swoole或其衍生框架，能做到类似golang的协程编程体验，又能享受PHP的开发效率。

如果想用原生态的做PHP协程编程，类似鸟哥博客中的调度器必不可少。调度器调度协程执行，协程中断后控制权又回到调度器中。所以调度器应该总是在主（事件）循环中，即CPU不在执行协程，就应当在执行调度器的代码。无协程运行时，调度器应当自我阻塞避免消耗CPU（鸟哥博客中使用了内置的select系统调用），等待事件到来再执行相应的协程。程序运行期间，除了调度器阻塞，协程在运行过程中不应该调用阻塞API。

总结

在协程编程中，yield的主要作用是将控制权转让，无需纠结于其返回值（基本上yield返回的值会在下次执行时直接send过来）。重点应当关注控制权转让的时机，以及协程的运作方式。

另外需要说明一点，协程和异步没有多大关系，还要看运行环境支撑。常规的PHP运行环境，即使用了promise/coroutine，也还是同步阻塞的。再牛逼的协程框架，sleep一下也不好使了。作为类比，即使JavaScript不使用promise/async这些技术，也是异步非阻塞的。

通过生成器和Promise，能实现类似于await的协程编程，相关代码在Github上很多，本文不再给出。

总结

本文先介绍了生成器的概念，重点是yield的用法及生成器的接口。协程部分则简要说了协程的原理，以及PHP协程编程中应当注意的事项。

感谢阅读，欢迎指正！

参考

  1. http://php.net/manual/zh/language.generators.php
  2. http://php.net/manual/zh/class.generator.php
  3. https://wiki.php.net/rfc/generators
  4. https://wiki.php.net/rfc/generator-return-expressions
  5. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21329131
  6. http://www.laruence.com/2015/05/28/3038.html
  7. https://medium.com/async-php/co-operative-php-multitasking-ce4ef52858a0
  8. https://blog.kghost.info/2011/11/15/abstract-control-1-stackless-coroutine/
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