淺談Node.js和PHP程式管理

zhangmeng發表於2016-01-21
Node.jsPHP

所周知，PHP 佔據了服務端程式語言的半壁江山，正如汪峰在音樂圈的地位一般。隨著 Node.js 逐漸走上服務端程式設計的舞臺，關於 PHP 和 Node.js 孰優孰劣的爭論也不曾間斷。

壟斷性的市場份額足以佐證 PHP 的優秀。並且 HHVM 虛擬機器、PHP 7 的革新，也給 PHP 帶來了跨越式的效能突破。然而，當我們為語言層面的效能差異喋喋不休時，卻往往忽略了 Web 模型在效能表現中的權重。

從 CGI 到 FastCGI

早期的 Web 服務，是基於傳統的 CGI 協議實現的。每個傳送到伺服器的請求，都需要經過啟動程式、處理請求、結束程式三個步驟，以至於訪問量增大時，系統資源（如記憶體、CPU 等）開銷也巨大，導致伺服器效能下降甚至服務中斷。

圖 1：簡單的 CGI 流程示意

在 CGI 協議下，解析器的反覆載入是效能低下的主要原因。如果讓解析器程式長駐記憶體，那麼它只需啟動一次，就可以一直執行著，不必每次都重新 fork 程式，這就有了後來的 FastCGI 協議。

如果 FastCGI 僅僅做到這樣，那麼和 Node.js 單程式單執行緒的模型是基本一致的：Node.js 程式啟動後保持持續執行，所有的請求都由這個程式接收和處理，當某個請求引起未知錯誤時，才可能致使程式退出。

事實上 FastCGI 並沒有那麼簡單，為了保證服務的穩定性，他被設計成了多程式排程的模式：

圖 2：Nginx + FastCGI 執行過程

這個過程同樣可以描述為三個步驟：

  • 首先，初始化 FastCGI 程式管理器，並啟動多個 CGI 直譯器子程式；
  • 接著，當請求到達 Web 伺服器時，程式管理器選擇並連線一個子程式，將環境變數和標準輸入傳送給它，處理完成後將標準輸出和錯誤資訊返還給 Web 伺服器；
  • 最終，子程式關閉連線，繼續等待下一個請求的到來；

從 child_process 到 cluster

我們回過頭來看看 Node.js 的程式管理方式。

原生 Node.js 的單程式單執行緒模型是一個極易被噴的槽點。這種機制也決定了 Node.js 天生只支援單核 CPU，無法有效地利用多核資源，一旦程式崩潰，還會導致整個 Web 服務的土崩瓦解。

圖 3：簡單的 Node.js 的請求模型

和 CGI 一樣，單一程式始終面臨著可靠性低、穩定性差的問題，當真正服務於生產環境時，這樣的弱點相當致命。如果程式碼本身足夠健壯，倒可以在一定程度上避免出錯，但同時也對測試工作提出了更高要求。現實中我們無法避免程式碼 100% 不出紕漏，有些東西容易編寫測試用例，有些東西卻只能依靠人肉目測。

所幸 Node.js 提供了 child_process 模組，通過簡單 fork 即可隨意建立出子程式。如果為每個 CPU 分別指派一個子程式，多核利用就完美實現了。於此同時，由於 child_process 模組本身繼承自 EventEmitter 這個基礎類，事件驅動使得程式間的通訊非常高效。

圖 4：簡單的 Node.js master-worker 模型（扒的淘傑老溼的圖）

為了簡化龐雜的父子程式模型實現，Node.js 緊接著又封裝了 cluster 模組，不論是負載均衡、資源回收，還是程式守護，它都會像保姆一樣幫你默默地搞定一切。具體技術細節可以參考淘傑老溼的《當我們談論 cluster 時我們在談論什麼(上)》和《當我們談論 cluster 時我們在談論什麼(下)》，裡面有所有關於 cluster 方案的推演和實現，這裡不再贅述。

在 Node.js 裡，要讓應用跑在多核叢集上，只需寥寥幾行程式碼就萬事大吉了：

var cluster = require(`cluster`);
var os = require(`os`);

if (cluster.isMaster) {
    for (var i = 0, n = os.cpus().length; i < n; i ++) {
        cluster.fork();
    }
} else {
    // 啟動應用...
}

那麼反觀 FastCGI 協議，它又是如何處理這種模型的呢？

PHP-FPM 的天生缺陷

PHP-FPM 是 PHP 針對 FastCGI 協議的具體實現，也是 PHP 在多種伺服器端應用程式設計埠（SAPI：cgi、fast-cgi、cli、isapi、apache）裡使用最普遍、效能最佳的一款程式管理器。它同樣實現了類似 Node.js 的父子程式管理模型，確保了 Web 服務的可靠性和高效能。

PHP-FPM 這種模型是非常典型的多程式同步模型，意味著一個請求對應一個程式執行緒，並且 IO 是同步阻塞的。所以儘管 PHP-FPM 維護著獨立的 CGI 程式池、系統也可以很輕鬆的管理程式的生命週期，但註定無法像 Node.js 那樣，一個程式就可以承擔巨大的請求壓力。

受制於伺服器的硬體設施，PHP-FPM 需要指定合理的 php-fpm.conf 配置：

pm.max_children # 子程式最大數
pm.start_servers # 啟動時的子程式數
pm.min_spare_servers # 最小空閒程式數，空閒程式不夠時自動補充
pm.max_spare_servers # 最大空閒程式數，空閒程式超過時自動清理
pm.max_requests = 1000 # 子程式請求數閾值，超過後自動回收

和 JS 不一樣的是，PHP 程式本身並不存在記憶體洩露的問題，每個程式完成請求處理後會回收記憶體，但是並不會釋放給作業系統，這就導致大量記憶體被 PHP-FPM 佔用而無法釋放，請求量升高時效能驟降。

所以 PHP-FPM 需要控制單個子程式請求次數的閾值。很多人會誤以為 max_requests 控制了程式的併發連線數，實際上 PHP-FPM 模式下的程式是單一執行緒的，請求無法併發。這個引數的真正意義是提供請求計數器的功能，超過閾值數目後自動回收，緩解記憶體壓力。

或許你已經發現了問題的關鍵：儘管 PHP-FPM 架構卓越，但還是卡在單一程式的效能上了。

Node.js 天生沒有這個問題，而 PHP-FPM 卻無法保證，它的穩定性受制於硬體設施和配置檔案的契合度，以及 Web 伺服器（通常是 Nginx）對 PHP-FPM 服務的負載排程能力。

ReactPHP，事件驅動，非同步執行，非阻塞 IO

對 PHP 7 的狂熱掩蓋了 Node.js 帶來的猛烈衝擊。當大家還沉醉在如何選擇 HHVM 還是 PHP 7 的時候，ReactPHP 也在茁壯成長，它徹徹底底拋棄了 nginx + php-fpm 的傳統架構，轉而模仿並接納了 Node.js 的事件驅動和非阻塞 IO 模型，甚至連副標題，都起得一毛一樣：

Event-driven, non-blocking I/O with PHP.

鑑於大家都比較瞭解 Node.js，對 ReactPHP 的原理就不再贅述了，我們可以認為它就是個 PHP 版的 Node.js。拿它和傳統架構（Nginx + PHP-FPM，公平起見，PHP-FPM 只開一個程式）去做對比，結果是這樣的：

圖 5：輸出“Hello World”時的 QPS 曲線

圖 6：查詢 SQL 時的 QPS 曲線

我們可以看到，當事件驅動、非同步執行、非阻塞 IO 被移植嫁接到 PHP 上後，即便沒了 PHP-FPM 支撐，QPS 曲線依然不錯，在 IO 密集型的場景下，效能甚至得到了成倍成倍的提升。

事件和非同步回撥機制真是太讚了，它巧妙地將大規模併發、大吞吐量時的擁堵化解為一個非同步事件佇列，然後挨個解決阻塞（如檔案讀取，資料庫查詢等）。

針對單程式模型的吐槽，或許有些偏激。不過顯而易見的事實是，單程式模型的可靠性，在 Web 伺服器和程式管理器層面是有很大的優化空間的，而高併發的處理能力取決於語言特性，說白了就是事件和非同步的支援。

這兩點想必是讓 Node.js 天生驕傲的事情，但在 PHP 裡沒有得到原生支援，只能通過模擬步進操作的方式來支援類似 Node.js 的事件機制，所以 ReactPHP 其實也並沒有想象中那麼完美。

結束語

大部分時候，當我們比較語言優劣，容易侷限在語言本身，而忽視了配套的一些關鍵因素。

就拿 PHP 來說，這兩年聽到了太多關於即時編譯器（JIT）、opcode 快取、抽象語法樹（AST）、HHVM 等等之類的話題。當這些優化逐步完備，語言層面的問題，早已不再是 Web 效能的短板了。如果實在不行，我們還可以把複雜任務交給 C 和 C++，以 Node.js addon 或者 PHP 擴充套件的形式，輕輕鬆鬆就搞定了。

都說 PHP 是“世界上最好的語言”，既然如此，也是時候學習下 Node.js 事件驅動和非同步回撥，考慮考慮如何對 PHP-FPM 進行大刀闊斧的革新。畢竟不管是 Node.js 還是 PHP，我們所擅長的地方，終將還是 Web，高效能的 Web。

相關資料

該文章來自於阿里巴巴技術協會（ATA）

作者：邦彥


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