颤抖开篇，从php角度谈谈IO模型（BIO）

IO 是什么?

在计算机系统中I/O就是输入（input）和输出（Output）的意思。针对不同的操作对象，可以划分为磁盘I/O模型，网络I/O模型，内存映射I/O，Direct I/O、数据库I/O等，只要具有输入输出类型的交互系统都可以认为是I/O系统，也可以说是整个操作系统数据交换与人机交互的通道，这个概念与选用的开发语言没有关系，是一个通用概念。

谈谈 （阻塞）

在学习 IO 中必须要搞懂的几个概念：(阻塞，非阻塞)与(同步，异步)。

本篇文章只介绍阻塞，其余几个概念将在后面篇章中挨个介绍学习。

在了解阻塞IO前，我们先看看网络数据包接收流程，在这里我们可以将整个流程总结为两个阶段：

• 数据准备阶段：
  在这个阶段，网络数据包到达网卡，通过DMA的方式将数据包拷贝到内存中，然后经过硬中断，软中断，接着通过内核线程ksoftirqd经过内核协议栈的处理，最终将数据发送到内核Socket的接收缓冲区中。

• 数据拷贝阶段： 当数据到达内核Socket的接收缓冲区中时，此时数据存在于内核空间中，需要将数据拷贝到用户空间中，才能够被应用程序读取。

阻塞

阻塞主要发生在第一阶段：数据准备阶段。

当应用程序发起系统调用 read 读操作时，线程从用户态转为内核态，读取内核Socket的接收缓冲区中的网络数据。

如果这时内核Socket的接收缓冲区没有数据，那么线程就会一直等待，直到Socket接收缓冲区有数据为止。随后将数据从内核空间拷贝到用户空间，系统调用 read 返回。

从图中我们可以看出：阻塞的特点是在第一阶段和第二阶段都会等待。

阻塞IO（BIO）

经过前一小节对阻塞这个概念的介绍，相信大家可以很容易理解阻塞IO的概念和过程。

既然这小节我们谈的是IO，那么下边我们来看下在阻塞IO模型下，网络数据的读写过程。

阻塞读

当用户线程发起read系统调用，用户线程从用户态切换到内核态，在内核中去查看Socket接收缓冲区是否有数据到来。

Socket接收缓冲区中有数据，则用户线程在内核态将内核空间中的数据拷贝到用户空间，系统IO调用返回。

Socket接收缓冲区中无数据，则用户线程让出CPU，进入阻塞状态。当数据到达Socket接收缓冲区后，内核唤醒阻塞状态中的用户线程进入就绪状态，随后经过CPU的调度获取到CPU quota进入运行状态，将内核空间的数据拷贝到用户空间，随后系统调用返回。

阻塞写

当用户线程发起send系统调用时，用户线程从用户态切换到内核态，将发送数据从用户空间拷贝到内核空间中的Socket发送缓冲区中。

当Socket发送缓冲区能够容纳下发送数据时，用户线程会将全部的发送数据写入Socket缓冲区，然后执行在网络包发送流程，然后返回。

当Socket发送缓冲区空间不够，无法容纳下全部发送数据时，用户线程让出CPU,进入阻塞状态，直到Socket发送缓冲区能够容纳下全部发送数据时，内核唤醒用户线程，执行后续发送流程。

阻塞IO模型下的写操作做事风格比较硬刚，非得要把全部的发送数据写入发送缓冲区才肯善罢甘休。

由于BIO 的阻塞特性，想让BIO 同时为多个客户端服务，每个请求都需要被一个独立的线程处理。一个线程在同一时刻只能与一个连接绑定。来一个请求，服务端就需要创建一个线程用来处理请求。

阻塞IO模型

在早期 Java 中 BIO 的实现就是一个客户端连接创建一个线程来处理请求，由于php 对多线程支持不是特别好，在php 中如何实现BIO呢？ 咱们先来个例子

// 创建 ipv4 tcp socket
$sockfd = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (!is_resource($sockfd)) {
   fprintf(STDOUT, "socket create fail:%s\n", socket_strerror(socket_last_error($this->_sockfd)));

}
// 绑定地址 端口
socket_bind($sockfd,'0.0.0.0',6379);
// 监听 socket
socket_listen($sockfd,10);

while (1){
   // 第一个阻塞函数   获取客户端连接，没有客户端连接会一直阻塞，阻塞状态的进程是不会占据CPU的
   $connfd = socket_accept($sockfd);
   if(empty($connfd)){
       continue;
   }
   // 第二个阻塞函数 ， 没有数据会一直阻塞，直到客户端发送数据过来，才往下执行
      $buff = socket_read($connfd,1024);
     fprintf(STDOUT,"%s",$buff);
   // 向客户端发送一个helloworld
   $msg = "helloworld\r\n";
   
   // 向客户端发送数据
   socket_write($connfd, $msg, strlen( $msg ) );
   
   echo time().' : a new client'.PHP_EOL;
   // 服务端 主动断开客户端连接
   socket_close($connfd);

}
// 关闭 监听 socket
socket_close($sockfd);

简单解析一下上述代码来说明一下tcp socket服务器的流程：

• 首先，根据协议族（或地址族）、套接字类型以及具体的的某个协议来创建一个socket。
• 第二，将上一步创建好的socket绑定（bind）到一个ip:port上。
• 第三，开启监听linten。
• 第四，使服务器代码进入无限循环不退出，当没有客户端连接时，程序阻塞在accept
  上，有连接进来时才会往下执行，接着阻塞在read 上，客户端发送数据才会往下执行 ，然后再次循环下去，为客户端提供持久服务。

上面这个案例中，有两个很大的缺陷：

1. 一次只可以为一个客户端提供服务，如果第一个客户端连接没有发送数据，导致一直阻塞在 read 上，这时有第二个客户端来连接，那么第二个客户端就必须要等待第一个连接发送数据才行。
2. 很容易受到攻击，造成拒绝服务。

分析了上述问题后，又联想到了前面说的多进程，那我们可以在accpet到一个请求后就fork一个子进程来处理这个客户端的请求，这样当accept了第二个客户端后再fork一个子进程来处理第二个客户端的请求，这样问题不就解决了吗？

// 创建 ipv4 tcp socket
$sockfd = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (!is_resource($sockfd)) {
   fprintf(STDOUT, "socket create fail:%s\n", socket_strerror(socket_last_error($this->_sockfd)));

}
// 绑定地址 端口
socket_bind($sockfd,'0.0.0.0',6379);
// 监听 socket
socket_listen($sockfd,10);

while (1){
   // 第一个阻塞函数   获取客户端连接，没有客户端连接会一直阻塞，阻塞状态的进程是不会占据CPU的
   $connfd = socket_accept($sockfd);
   if(empty($connfd)){
       continue;
   }

    $pid = pcntl_fork();
   if($pid == 0){
       // 第二个阻塞函数 ， 没有数据会一直阻塞，直到客户端发送数据过来，才往下执行
      $buff = socket_read($connfd,1024);
     fprintf(STDOUT,"%s",$buff);
       // 向客户端发送一个helloworld
       $msg = "helloworld\r\n";
       socket_write($connfd, $msg, strlen( $msg ) );
       // 休眠5秒钟，可以用来观察时候可以同时为多个客户端提供服务
       echo time().' : a new client'.PHP_EOL;
       socket_close($connfd);
   }

}
// 关闭 监听 socket
socket_close($sockfd);

通过 fork 多进程的确可以同时服务多个客户端，但当客户端请求的并发量突然增大时，服务端在一瞬间就会创建出大量的进程，而创建进程是需要系统资源开销的，这样一来就会一瞬间占用大量的系统资源。

如果客户端创建好连接后，但是一直不发数据，通常大部分情况下，网络连接也并不总是有数据可读，那么在空闲的这段时间内，服务端进程就会一直处于阻塞状态，无法干其他的事情。CPU也无法得到充分的发挥，同时还会导致大量进程切换的开销。

编写一个例子模拟大量客户端连接

for ($i = 10000; $i < 65000; $i++){
	// 创建 socket 
    $_sockfd = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    // 绑定客户端 ip地址 端口
    socket_bind($_sockfd,'192.168.0.102',$i);
    // 连接服务端
    if(socket_connect($_sockfd,'111.230.247.213',6379)){
        fprintf(STDOUT,"客户端连接成功 ip=%s\n",'192.168.0.102:'.$i);
    }
}

执行客户端模拟连接脚本

服务端的确可以同时处理很多请求，但是也创建了大量进程，消耗大量系统资源与同时还会导致大量进程切换的开销。

所以，我们就再次提出增进型解决方案。我们可以预估一下业务量，然后在服务启动的时候就fork出固定数量的子进程，每个子进程处于无限循环中并阻塞在 accept 上，当有客户端连接挤进来就处理客户请求，当处理完成后仅仅关闭连接但本身并不销毁，而是继续等待下一个客户端的请求。这样，不仅避免了进程反复fork销毁巨大资源浪费，而且通过固定数量的子进程来保护系统不会因无限fork而崩溃，其实这就是资源池化解决方案。

$sockfd = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (!is_resource($sockfd)) {
    fprintf(STDOUT, "socket create fail:%s\n", socket_strerror(socket_last_error($this->_sockfd)));

}
socket_bind($sockfd,'0.0.0.0',6379);
socket_listen($sockfd,10);


// 按照数量fork出固定个数子进程
for( $i = 1; $i <= 10; $i++ ){
    $pid = pcntl_fork();
    if( 0 == $pid ){
        cli_set_process_title('phpserver worker process');
        while( true ){
            $conn_socket = socket_accept( $sockfd );
            $msg = "helloworld\r\n";
            socket_write($conn_socket, $msg, strlen( $msg ) );
            socket_close($conn_socket);
        }
    }
}
// 父进程回收子进程退出，回收资源
while( true ){
    $pid = pcntl_wait($status);
    if($pid > 0){
        fprintf(STDOUT,"PID=%d 子进程退出了",$pid);
    }
}
socket_close($sockfd );

启动php BIO 服务端 ，通过 ps -ef|grep phpserver 命令查看阻塞在 socket_accept 等待处理客户端连接的 10 个子进程

预先创建10个子进程 处于等待服务状态，再同一个时刻可以同时为10个客户端提供服务。

适用场景

基于以上阻塞IO模型的特点，该模型只适用于连接数少，并发度低的业务场景。

比如公司内部的一些管理系统，通常请求数在100个左右，使用阻塞IO模型还是非常适合的。而且性能也不错。

文章部分内容参考文献

1. https://mp.weixin.qq.com/s/zAh1yD5IfwuoYdrZ1tGf5Q