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Swoole 4.4 協(xié)程搶占式調(diào)度器詳解

Bowman_han / 2218人閱讀

摘要：搶占式調(diào)度我們在今年年初就計劃實現(xiàn)的搶占式調(diào)度，以滿足實現(xiàn)有些場景下的不均衡調(diào)度帶來的問題?？紤]開線程，負(fù)責(zé)檢查當(dāng)前執(zhí)行協(xié)程執(zhí)行時間。達到我們的第二個協(xié)程主動搶占第一個協(xié)程的效果。

前言

Swoole內(nèi)核團隊開設(shè)的專欄，會逐漸投入精力寫文章介紹Swoole的開發(fā)歷程，實現(xiàn)原理，應(yīng)用實踐等，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)程實現(xiàn)CSP編程，身邊的開發(fā)者驚呼，原來PHP代碼還可以這樣寫。Swoole的協(xié)程默認(rèn)是基于IO調(diào)度，程序中有阻塞會自動讓出當(dāng)前協(xié)程，協(xié)程的各種優(yōu)勢我們不在這里展開討論。如果是IO密集型的場景，可以表現(xiàn)得很不錯。但是對于CPU密集型的場景，會導(dǎo)致一些協(xié)程因為得不到CPU時間片被餓死。

搶占式調(diào)度

我們在今年年初就計劃實現(xiàn)Swoole的搶占式調(diào)度，以滿足實現(xiàn)有些場景下的不均衡調(diào)度帶來的問題。我們中間經(jīng)歷了幾個版本，在這里和大家分享一下開發(fā)過程中的動機和解決辦法。

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

起初，我們的想法是可以從PHP的循環(huán)中自動檢測執(zhí)行實踐，若達到限制，可以自動讓出當(dāng)前協(xié)程。因為畢竟很少有人一馬平川的寫出占用很多CPU的代碼，大都通過循環(huán)條件來控制。我們hook循環(huán)指令，每次執(zhí)行循環(huán)指令的時候，都來檢查協(xié)程的執(zhí)行時間，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opcache優(yōu)化后，情況會變得有些復(fù)雜。

后來我們使用PHP的ticks機制，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)中檢測處理協(xié)程的時間，達到搶占式的效果，但是這里有一個問題，PHP的declare(ticks=N)語法，只對當(dāng)前腳本范圍有效，也就是說項目稍微大點，require或者include進來的腳本，并不會自動注入ticks指令，這樣Swoole開發(fā)者幾乎是無法接受的。我們也試圖給PHP官方提一個PR，可以在擴展層設(shè)置一個全局默認(rèn)的ticks，但是官方不愿意采納我們的提交，因為官方覺得這個功能對性能損耗比較大，而且有可能在PHP8移除這個功能。其實經(jīng)過實測這個性能損耗并不大，而且我們已經(jīng)在生產(chǎn)環(huán)境驗證，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)整個相應(yīng)時間更加均衡。
下圖是我們生產(chǎn)環(huán)境一個RPC接口的調(diào)用端統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比，客戶端等待超時時間為2s,超時則統(tǒng)計為錯誤。

左邊一側(cè)是沒有搶占式調(diào)度，右側(cè)是開了搶占式調(diào)度，可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)總是會有偶爾超時情況，而經(jīng)過優(yōu)化之后，沒有一個超時的請求，請求響應(yīng)時間非常平滑，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，去除了請求耗時高的毛刺，使得平均請求時間變得更加平滑，穩(wěn)定。

想要做搶占式調(diào)度，對于PHP來說，有兩個途徑

單線程的PHP的執(zhí)行流，通過執(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，以達到搶占CPU的目的。

考慮開線程，負(fù)責(zé)檢查當(dāng)前執(zhí)行協(xié)程執(zhí)行時間。

經(jīng)過以上辦法的嘗試，注入指令的路數(shù)基本是無法得到官方的支持，我們只能另謀出路，多開一個線程，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機制，默認(rèn)每隔5ms檢查一下當(dāng)前協(xié)程是否達到最大執(zhí)行時間，默認(rèn)為10ms，如果超過，則讓出當(dāng)前協(xié)程，達到被其他協(xié)程搶占的目的。

示例代碼 
需要Swoole 4.4或更高版本

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協(xié)程的死循環(huán)中自動yield出來,執(zhí)行第二個協(xié)程，如果沒有這個特性，第二個協(xié)程永遠不會被執(zhí)行，導(dǎo)致被餓死。而這樣做，第二個協(xié)程可以順利被執(zhí)行，最后執(zhí)行結(jié)束后，第一個協(xié)程也會接著繼續(xù)往下執(zhí)行。達到我們的第二個協(xié)程主動搶占第一個協(xié)程CPU的效果。


這個特性在生產(chǎn)環(huán)境非常有用，尤其是對于實時系統(tǒng)或者響應(yīng)時間比較敏感的場景。

最后

感謝大家對 Swoole 的長期支持和關(guān)注。

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