钛节点

PHP进程通信之管道与消息队列（二十三节）

发表@2020-03-07 16:47:06

更新@2023-04-27 15:07:23

大家好，我是老李，号「谢顶道人」。

我已经猛灌了两大口恒河水，当然了并不是为了来生做印度人，而是为了这个周末将《PHP网络编程》结束撒花。

为啥最后结尾突然开始介入进程间通信了？因为我这是强行按照《UNIX网络编程》的节奏来的。其实Workerman里我几乎没有到与进程间通信的相关内容，swoole里倒是不少，当然这地方就涉及到二者进程模型的不同了。如果说了解了进程间通信，就可以考虑魔改Workerman了，比如多搞出一组task进程出来。

众所周知，进程之间数据几乎都是相互隔离的，独自享用内存空间所以进程之间如果想飞数据，就只能靠进程间通信，人称IPC，全称InterProcess Communication。进程间通信也就那几个套路，一般面试官问来问去的，虽然平时工作中几乎不用：
- 管道
- 消息队列
- 共享内存
- 信号量
- unix socket

总之你们不要想太多，没啥好高深的，就是为了让进程之间彼此蹭蹭交换数据，没别的目的。

### 管道

管道是我们平时最常见进程间通信方法，一般说有全双工、半双工之说，全双工管道是说管道上的信息可以有来有往，半双工管道则是指只能传递单方向的数据，在APUE里这一部分涉及到的内容十分复杂繁琐，这些东西PHP看在眼里疼在蛋上，立志要为大家化「繁琐为简单」。先说下这个叫做posix_mkfifo()的函数，FIFO有些地方叫命名管道，本质上TA是一个文件，你可以用var_dump()来检验一下，FIFO是支持双向通信的：

```php
<?php
// 管道文件绝对路径
$pipe_file = __DIR__.DIRECTORY_SEPARATOR.'test.pipe';
// 如果这个文件存在，那么使用posix_mkfifo()的时候是返回false，否则，成功返回true
if( !file_exists( $pipe_file ) ){
    if( !posix_mkfifo( $pipe_file, 0666 ) ){
        exit( 'create pipe error.'.PHP_EOL );
    }
}
// fork出一个子进程
$pid = pcntl_fork();
if( $pid < 0 ){
    exit( 'fork error'.PHP_EOL );
} else if( 0 == $pid ) {
    // 在子进程中，打开命名管道，并写入一段文本
    $file = fopen( $pipe_file, "w" );
    fwrite( $file, "I am children." );
    fclose( $file );
    // 然后以读方式再次打开管道文件，并从中读取数据
    $file = fopen( $pipe_file, "r" );
    // ⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️
    // fread 管道上
    $content = fread( $file, 1024 );
    echo $content.PHP_EOL;
    exit;
} else if( $pid > 0 ) {
    // 在父进程中，打开命名管道，然后读取文本
    $file = fopen( $pipe_file, "r" );
    $content = fread( $file, 1024 );
    echo $content.PHP_EOL;
    fclose( $file );
    // 以写方式打开管道，向其中写数据
    $file = fopen( $pipe_file, "w" );
    fwrite( $file, "I am father." );
    fclose( $file );
    // 注意此处再次阻塞，等待回收子进程，避免僵尸进程
    pcntl_wait( $status );
}
```

管道这玩意一旦创建后准备投产使用，那么使用的时候一定必须是「一读一写」要齐全，不然有一方就会陷入无限等待中，举个例子：

你们猜子进程会咋样，你们可以跑一下然后再配合grep查看一下子进程状态，然后思考下。紧接着再做个改动：往父进程里添加一行代码，注意就是第25行：

```php
<?php
// 管道文件绝对路径
$pipe_file = __DIR__.DIRECTORY_SEPARATOR.'test.pipe';
// 如果这个文件存在，那么使用posix_mkfifo()的时候是返回false，否则，成功返回true
if( !file_exists( $pipe_file ) ){
    if( !posix_mkfifo( $pipe_file, 0666 ) ){
        exit( 'create pipe error.'.PHP_EOL );
    }
}
// fork出一个子进程
$pid = pcntl_fork();
if( $pid < 0 ){
    exit( 'fork error'.PHP_EOL );
} else if( 0 == $pid ) {
    $pid = posix_getpid();
    // 在子进程中，打开命名管道，并写入一段文本
    echo "{$pid} child before fopen FIFO".PHP_EOL;
    $file = fopen( $pipe_file, "r" );
    echo "{$pid} child after fopen FIFO".PHP_EOL;
} else if( $pid > 0 ) {
    // 在父进程中，打开命名管道，然后读取文本
    // ⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️
    // 这里也是以 r 方式打开的管道，而不是 w
    echo "父进程等待读取数据".PHP_EOL;
    $file = fopen( $pipe_file, "r" );
}
```

运行一看试试？然后你再将25行的" r "模式修改为" w "模式再试试。这个是非常简单，总之再使用FIFO的时候一定是「一读一写」同时是要配对存在才是正确的用法，如果缺少一个总是会有各种奇怪的现象，再PHP这里表现为进程会阻塞在fopen操作上（纠错：在Advanced-PHP里我错误地认为是阻塞在fread上）。

除了posix_mkfifo()外，PHP里还有一个叫做popen()的函数，原型是popen ( string $command , string $mode )。前者呢本质上说是我们自己手动显示地创建一个管道，然后针对这个管道进行读写操作；后者实际上替我们屏蔽了「创建管道」这个操作，而是隐藏替我们完成了，TA的工作原理是这样的，popen首先执行fork操作，然后在子进程中exec参数中的$command同时向我们返回一个文件指针，而管道就已经在执行popen这一步的过程中已经被「隐式」地创建完成了，下面一坨demo你们感受一下：

```php
<?php
$handle = popen('ls -l', 'r');
$read = fread($handle, 2096);
echo $read;
pclose($handle);
```

上面demo的意思非常简单，就是创建一个读取类型的管道，这个管道从可以读取到" ls -l "命令的执行结果，只是这个管道是个单向的。这个函数的好处就是帮我们屏蔽掉了手工创建管道的操作，可惜只能是半双工，如果你想要全双工版本的popen，那么下面这个proc_open()函数将会拍的上场，这个函数除了可以创建全双工管道外，还额外提供了大量控制配置参数。

```php
<?php
// 这个数组是描述选项，它的构成是这样的
// 它的索引是文件描述符
// 它的索引对应的值是一个数组，数组的第一个元素有两个可选值pipe或文件
// 数组的第二个元素就是r w 或者a mode
// 下面的case里，众所周知
// 0表示标准输入
// 1表示标准输出
// 2表示标准错误
// 任何一个进程打开后，默认都会打开0 1 2三个文件描述符
// 这里通过a_pipe_desc将新进程默认打开的0 1 2文件描述
// 指向自己配置的pipe管道和file文件
// 你还可以自己手动往数组里添加新的文件描述符
$a_pipe_desc = array(
    0 => array("pipe", "r"),
    1 => array("pipe", "w"),
    2 => array("file", "./debug.log", "a"),
    // 比如，你还有有一个文件描述符5
    // 你想让5为一个file
    //5 => array("file", "./test.log", "a"),
);
// 这个测试PHP程序的工作目录，我设置为当前了
$s_cwd = './';

// 当前PHP程序 fork一个子进程 在子进程中执行bash
// 这个管道就是在「PHP程序」与「bash程序」之间
// 这个管道是双向的，管道就在$a_pipes中
$r_process = proc_open('bash', $a_pipe_desc, $a_pipes, $s_cwd, NULL);

// 可以打印一下看看
print_r( $a_pipes );

// 而通过proc_get_status可以获取「PHP程序」
// 打开的子进程「bash」的相关信息
$a_process_info = proc_get_status($r_process);
print_r( $a_process_info );

// 啥意思呢？就是说：
// PHP程序向$a_pipes[0]中写内容，而bash从$a_pipes[0]中读内容
// PHP程序从$a_pipes[0]中读内容，而bash向$a_pipes[1]中写内容
// 而错误将会被记录到
fwrite($a_pipes[0], 'ls -l');
fclose($a_pipes[0]);
echo stream_get_contents($a_pipes[1]);
fclose($a_pipes[1]);
// 一定要及时关闭不用的管道，正如前面posix_mkfifo()演示的那样
// 管道如果处理不好，很容易让程序陷入无限等待中，出现异常
proc_close($r_process);
```

所以简单总结一下PHP语言中的管道：
- posix_mkfifo()：手工显示创建一个全双工管道，操作上可以细腻，使用上需要注意「锁」的问题
- popen()：隐式创建半双工管道，代码使用上比较简单
- proc_open()：隐式创建全双工管道，还有众多的控制细节

### 消息队列

这个怕是很多人都听过，不过印象往往停留在kafka、rabbitmq之类的用于业务解耦的网络消息队列软件上。然而这里的消息队列是说操作系统中内置的一种数据结构，消息队列是消息的链接表（一种常见的数据结构），但是这种消息队列存储于系统内核中（不是用户态），一般我们外部程序使用一个key来对消息队列进行读写操作，在PHP中，是通过msg_*系列函数完成消息队列操作的。

这种消息队列的状态是由操作系统来维护的，每个消息队列在操作系统内部都有一个标志符，但是这种标志符是操作系统内部使用的，在外我们使用的则是消息队列的ID或者KEY，而这个ID或KEY的生成方式可以使用ftok()函数；除此之外，既然这种消息队列是系统维护的，所以理论上只要外界程序知道这个消息队列的ID或KEY，那么跨语言之间也可以通过这个消息队列进行通信，比如使用PHP向消息队列中写入数据，使用Python语言从消息队列中读取消息。

下面这坨代码是「父进程」与「子进程」间利用消息队列互飞数据：

```php
<?php
// 使用ftok创建一个键名，注意这个函数的第二个参数“需要一个字符的字符串”
$key = ftok( __DIR__, 'a' );
// 然后使用msg_get_queue创建一个消息队列
$queue = msg_get_queue( $key, 0666 );
// 使用msg_stat_queue函数可以查看这个消息队列的信息，而使用msg_set_queue函数则可以修改这些信息
//var_dump( msg_stat_queue( $queue ) );
// fork进程
$pid = pcntl_fork();
if( $pid < 0 ){
    exit( 'fork error'.PHP_EOL );
} else if( $pid > 0 ) {
    // 在父进程中
    // 使用msg_receive()函数获取消息
    msg_receive( $queue, 0, $msgtype, 1024, $message );
    echo $message.PHP_EOL;
    // 用完了记得清理删除消息队列
    msg_remove_queue( $queue );
    pcntl_wait( $status );
} else if( 0 == $pid ) {
    // 在子进程中
    // 向消息队列中写入消息
    // 使用msg_send()向消息队列中写入消息，具体可以参考文档内容
    msg_send( $queue, 1, "helloword" );
    exit;
}
```

然后老李亲手再给你表演一下利用消息队列实现跨语言进程通信，就Python吧，用Python读取，用PHP写入，我告诉你别小瞧你李哥，你李哥活儿全：

```php
<?php
// 使用ftok创建一个键名，注意这个函数的第二个参数“需要一个字符的字符串”
$key = ftok( "/Users/didi/python", "a" );
// 然后使用msg_get_queue创建一个消息队列
$queue = msg_get_queue( $key, 0666 );
// 使用msg_stat_queue函数可以查看这个消息队列的信息，而使用msg_set_queue函数则可以修改这些信息
//var_dump( msg_stat_queue( $queue ) );
// 向消息队列中写入消息
// 使用msg_send()向消息队列中写入消息，具体可以参考文档内容
msg_send( $queue, 1, "helloword" );
```

```python
#coding:utf-8
import sysv_ipc

# Main
msg_queue_key = sysv_ipc.ftok( "/Users/didi/python", 97 )
msg_queue     = sysv_ipc.MessageQueue( msg_queue_key, sysv_ipc.IPC_CREAT, 0666 )
content = msg_queue.receive()
print( content )
```

![](https://ti-node.com/static/upload/PNP/a/img_22.png#width-full)

上述Pyton与PHP这个案例里，ftok这里可能大家会有些疑惑，为什么PHP第二个参数是字母a，而Python里是数字97，实际上我这里得说一下，咱们来把老祖宗的标准先拿出来，在XSI标准里，粗暴点儿说就是你在*NIX下搞系统级编程，C语言提供的ftok函数实际上第二个参数确实是个整形数字，范围是0-255，我也不知道PHP为啥用字母；如果你搞过C，你应该知道实际上在C里字符本质上是数字，确切说字母a就是ASCII的数字97，明白了吧。

之所以写这个demo，还是想以前经常强调的那个中心思想，别老折腾语言表层的玩意折腾来折腾去的，贼没意思贼没劲，更别参与语言争论，一地鸡毛没有任何收获。好好把底层夯实了，语言本身是工具，你要真有劲好好把POSIX.1标准API编程搞一搞，好好研究研究操作系统原理，一天天地连怼都怼不到点上：

你喷我环境难搞，我怼你依赖乱跑
你骂我性能垃圾，我叱你乱吹牛逼
你夸你语法优雅，我赞我是一朵花
你评你生态完善，我论我未来美好
顺带批判时政，下班一地鸡毛

去瞅瞅你加的各种「技术大佬」群里是不是天天就这些内容？总结四个字：积沙成雕。

还别批判人家「一个人事一天天就不干人事」，我还得说说你「一个开发一天天就不干开发」。