拥抱php之线程安全

关于php tsrm机制的文章很多,但是都感觉没有讲到精髓,都是拿其相关的数据结构就一通讲,完全让人难以理解,最近工作涉及到了tsrm的东西,于是想自己总结一下tsrm,这短短不到800行的代码,是如何保证php的线程安全的,看着里面复杂的数据结构,可能让人难以入手。我想从线程安全的动机出发,维护一个线程安全需要什么?来帮助到有需要的人理解它,也给自己一个以后回过头来看的机会。 :)

overview

在理解整个过程的之前,我们从设计tsrm的动机出发,而不是直接去看tsrm是什么。在单线程的模式下,一个全局变量,无论怎样的存储都不会出问题,在php的设计过程中有一些全局变量,充当着非常重要的角色,例如:

  • compiler_globals
  • executor_globals

那么在多线程下,去访问全局变量就会出现问题,就所谓的非线程安全,解决方式是需要把相关的全局变量给每个线程都复制一份。这里面就设计一个量级的关系:

  • 线程的数量 t
  • 相关全局变量的数量 g

所以我们可能需要复制t * g 个全局变量,再理一下关系,每个线程都着各自独立的“全局变量”。我们先不论这个“全局变量“放在哪里,我们可能是可以知道有g个”全局变量“,如果我们尝试把每个线程所有全局变量都紧密的放在一起。

tsrm

可以看到相同全局变量的相对于起始位置都有着相同的offset,只是起始位置不同,在切换进程的时候,我们只需要切换这个其实地址起就行,这样相同的全局变量,我们可以用一个新的全局变量来代替,这个新的全局变量就代表所指全局变量的offset,有了这个offset,我们就能拿到真实的“全局变量”,而且可以保证原代码的一致性,我们只需要调整以前全局变量的操作即可,这就是我理解的tsrm的设计细节。所以关键的是:

  • 如何保证切线程的时候,存储线程全局变量的起始地址变化。
  • 如何确定这个”全局变量“的offset

如果了解这两个东西,其他的细节并不是问题。

solutions

先来解决最前面的两个基础量级问题:

  1. 线程数量的表示
  2. 全局变量数量的表示

总体上解决方案是给每一个线程去”拷贝“一份全局变量,那么我们需要知道 线程数量 和 全局变量的数量。

线程的保存

首先需要去抽象一个线程,然后把各个线程的信息保存下来。每个线程都会用一个tsrm_tls_entry结构来抽象,然后用一张表tsrm_tls_table串起来,

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struct _tsrm_tls_entry {
void **storage;
int count;
THREAD_T thread_id;
tsrm_tls_entry *next;
};

static tsrm_tls_entry **tsrm_tls_table

(我这里不会一上来,跟说书一样就马上开始介绍每个字段的意义,因为没有动机,你会很难理解为什么这个字段存在)

这个tsrm_tls_table是一个二级指针,其实它终会指向一个tsrm_tls_entry的指针数组。直观上你可能会想,如果来一个tsrm_tls_entry,就把它的地址放在这个数组里面不就行了?其实不然。这个指针数组在tsrm设计里面,它其实是一张hashtable:

tsrm2

你如果你熟悉HashTable,这看起来像不像用链表的形式来解决哈希冲突?那么hash值怎么计算呢?这里策略非常简单,直接用tsrm_tls_entry->thread_id % tsrm_tls_table_size,前面表示用线程号 模 tsrm_tls_table的长度去余。 所以这里tsrm_tls_table长度从一开始确定就不会变了,保持映射关系。默认情况,这个表的长度一般是1(我对这个长度持怀疑态度),如果长度为1,那么他就是一张单链表。

其中tsrm_tls_table是一个真正的全局变量,用来存储各个线程的信息

全局变量的保存

为了避免线程操作全局变来带来的安全问题,我们把全局变量给每一个线程都“拷贝”了一份,那么试想,新创建了一个线程,我们需要把所有相关的全局变量都给它复制一份,那我们得先知道到底有多少个相关全局变量。所以在tsrm里面也用了一张类似tsrm_tls_table的东西来存储相关所有的全局变量。

为了存储全局变量,首先也得抽象全局变量。每一个全局变量用tsrm_resource_type来抽象表示,然后用一张resource_type_table表串起来。

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typedef struct {
size_t size;
ts_allocate_ctor ctor;
ts_allocate_dtor dtor;
size_t fast_offset;
int done;
} tsrm_resource_type;

static tsrm_resource_type *resource_types_table

resource_types_table指向是一个tsrm_resource_type数组。 tsrm3

线程相关全局变量

  • 每一个线程独立相关的全局变量放在哪?

    与线程相关的结构只有tsrm_tls_entry,那么线程中的全局变量的存储肯定是围绕这个结构的,我先给答案,其实有两个地方可以存储:

    • tsrm_tls_entry结构的尾部
    • tsrm_tls_entry->storage

    tsrm_tls_entry的storage指向是一个指针数组,其中存储了每一个线程相关的全局变量真实的结构。这个很容易理解。

    在tsrm_tls_entry尾部存储,是一种性能优化的策略。不需要你再去fetch storage。可以通过线程相关的全局变量相对于tsrm_tls_entry的位置,快速的读写线程相关的全局变量。

tsrm4
  • 线程切换时如何保证线程相关全局变量一致?

    前面已经讨论过了,这里只需要保证每次操作相关全局变量的时候,是从线程对应的tsrm_tls_entry里面获取的就行。这里直接是使用了pthread_key_create ,pthread_key_set,pthread_getspecific来维护每个线程独立的tsrm_tls_entry的结构。关于它们的使用具体可以看看多线程私有数据pthread_key_create,这里就不详细深入了。

  • 线程相关全局变量的更新

    除了前面提到的,新创建一个线程的时候,需要把相关的全局变量给它拷贝一份,还有一种情况是,当一个线程新增一个全局变量的时候,其他的变量也需要新增这个全局变量,需要保持同步。

    当新增一个全局变量的时候,这个时候会先放到resource_type_table里面,再循环遍历所有的线程tsrm_tls_entry把新的全局变量添加进去,这个细节问题需要考虑一下。