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Swoole 4.4 協程搶占式調度器詳解

Bowman_han / 2174人閱讀

摘要：搶占式調度我們在今年年初就計劃實現的搶占式調度，以滿足實現有些場景下的不均衡調度帶來的問題。考慮開線程，負責檢查當前執行協程執行時間。達到我們的第二個協程主動搶占第一個協程的效果。

前言

Swoole內核團隊開設的專欄，會逐漸投入精力寫文章介紹Swoole的開發歷程，實現原理，應用實踐等，大家可以更好的交流，共同學習，建設PHP生態。

協程調度

去年Swoole推出了4.0版本后，完整的支持PHP協程，我們可以基于協程實現CSP編程，身邊的開發者驚呼，原來PHP代碼還可以這樣寫。Swoole的協程默認是基于IO調度，程序中有阻塞會自動讓出當前協程，協程的各種優勢我們不在這里展開討論。如果是IO密集型的場景，可以表現得很不錯。但是對于CPU密集型的場景，會導致一些協程因為得不到CPU時間片被餓死。

搶占式調度

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

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

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

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，可以執行相應的函數，我們可以在這些函數中檢測處理協程的時間，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，可以在擴展層設置一個全局默認的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。其實經過實測這個性能損耗并不大，而且我們已經在生產環境驗證，并取得了顯著的效果，即可以讓出某些CPU密集的邏輯部分，使得服務整個相應時間更加均衡。
下圖是我們生產環境一個RPC接口的調用端統計數據對比，客戶端等待超時時間為2s,超時則統計為錯誤。

左邊一側是沒有搶占式調度，右側是開了搶占式調度，可以發現，左側總是會有偶爾超時情況，而經過優化之后，沒有一個超時的請求，請求響應時間非常平滑，提升了服務的穩定性。

可以從上圖看出，由于搶占式調度的加入，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，穩定。

想要做搶占式調度，對于PHP來說，有兩個途徑

單線程的PHP的執行流，通過執行指令做文章，可以在PHP執行流程中注入邏輯，以檢查執行時間，再加上Swoole的協程能力，可以在不同的協程中切換，以達到搶占CPU的目的。

考慮開線程，負責檢查當前執行協程執行時間。

經過以上辦法的嘗試，注入指令的路數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，只負責檢查當前協程。具體的做法是，利用PHP-7.1.0引入的VM interrupt機制，默認每隔5ms檢查一下當前協程是否達到最大執行時間，默認為10ms，如果超過，則讓出當前協程，達到被其他協程搶占的目的。

示例代碼 
需要Swoole 4.4或更高版本

執行結果

start
coro 1 start to loop
use time 11.121988296509
coro 2 set flag = false
end
coro 1 can exit


可以發現，代碼邏輯可以從第一個協程的死循環中自動yield出來,執行第二個協程，如果沒有這個特性，第二個協程永遠不會被執行，導致被餓死。而這樣做，第二個協程可以順利被執行，最后執行結束后，第一個協程也會接著繼續往下執行。達到我們的第二個協程主動搶占第一個協程CPU的效果。


這個特性在生產環境非常有用，尤其是對于實時系統或者響應時間比較敏感的場景。

最后

感謝大家對 Swoole 的長期支持和關注。

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