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[转载] 深入理解 PHP-FPM

FPM(FastCGI Process Manager)是 PHP FastCGI 运行模式的一个进程管理器,从它的定义可以看出,FPM 的核心功能是进程管理,那么它用来管理什么进程呢?这个问题就需要从 FastCGI 说起了。

概述

FastCGI 是 Web 服务器(如:Nginx、Apache)和处理程序之间的一种通信协议,它是与 Http 类似的一种应用层通信协议,注意:它只是一种协议!

前面曾一再强调,PHP 只是一个脚本解析器,你可以把它理解为一个普通的函数,输入是 PHP 脚本。输出是执行结果,假如我们想用 PHP 代替 shell,在命令行中执行一个文件,那么就可以写一个程序来嵌入 PHP 解析器,这就是 cli 模式,这种模式下 PHP 就是普通的一个命令工具。接着我们又想:能不能让 PHP 处理 http 请求呢?这时就涉及到了网络处理,PHP 需要接收请求、解析协议,然后处理完成返回请求。在网络应用场景下,PHP 并没有像 Golang 那样实现 http 网络库,而是实现了 FastCGI 协议,然后与 web 服务器配合实现了 http 的处理,web 服务器来处理 http 请求,然后将解析的结果再通过 FastCGI 协议转发给处理程序,处理程序处理完成后将结果返回给 web 服务器,web 服务器再返回给用户,如下图所示。

FastCGI协议转发给处理程序,处理程序处理完成后将结果返回给web服务器,web服务器再返回给用户

PHP 实现了 FastCGI 协议的解析,但是并没有具体实现网络处理,一般的处理模型:多进程、多线程,多进程模型通常是主进程只负责管理子进程,而基本的网络事件由各个子进程处理,nginx、fpm 就是这种模式;另一种多线程模型与多进程类似,只是它是线程粒度,通常会由主线程监听、接收请求,然后交由子线程处理,memcached 就是这种模式,有的也是采用多进程那种模式:主线程只负责管理子线程不处理网络事件,各个子线程监听、接收、处理请求,memcached 使用 udp 协议时采用的是这种模式。

基本实现

概括来说,fpm 的实现就是创建一个 master 进程,在 master 进程中创建并监听 socket,然后 fork 出多个子进程,这些子进程各自 accept 请求,子进程的处理非常简单,它在启动后阻塞在 accept 上,有请求到达后开始读取请求数据,读取完成后开始处理然后再返回,在这期间是不会接收其它请求的,也就是说 fpm 的子进程同时只能响应一个请求,只有把这个请求处理完成后才会 accept 下一个请求,这一点与 nginx 的事件驱动有很大的区别,nginx 的子进程通过 epoll 管理套接字,如果一个请求数据还未发送完成则会处理下一个请求,即一个进程会同时连接多个请求,它是非阻塞的模型,只处理活跃的套接字。

fpm 的 master 进程与 worker 进程之间不会直接进行通信,master 通过共享内存获取 worker 进程的信息,比如 worker 进程当前状态、已处理请求数等,当 master 进程要杀掉一个 worker 进程时则通过发送信号的方式通知 worker 进程。

fpm 可以同时监听多个端口,每个端口对应一个 worker pool,而每个 pool 下对应多个 worker 进程,类似 nginx 中 server 概念。

fpm可以同时监听多个端口,每个端口对应一个worker pool,而每个pool下对应多个worker进程,类似nginx中server概念。

在 php-fpm.conf 中通过[pool name]声明一个 worker pool:

[web1]
listen = 127.0.0.1:9000

[web2]
listen = 127.0.0.1:9001

启动 fpm 后查看进程:

$ ps -aux|grep fpm
root 27155 0.0 0.1 144704 2720 ? Ss 15:16 0:00 php-fpm: master process (/usr/local/php7/etc/php-fpm.conf)
nobody 27156 0.0 0.1 144676 2416 ? S 15:16 0:00 php-fpm: pool web1
nobody 27157 0.0 0.1 144676 2416 ? S 15:16 0:00 php-fpm: pool web1
nobody 27159 0.0 0.1 144680 2376 ? S 15:16 0:00 php-fpm: pool web2
nobody 27160 0.0 0.1 144680 2376 ? S 15:16 0:00 php-fpm: pool web2
具体实现上 worker pool 通过fpm_worker_pool_s这个结构表示,多个 worker pool 组成一个单链表:

struct fpm_worker_pool_s {

struct fpm_worker_pool_s *next; //指向下一个worker pool
struct fpm_worker_pool_config_s *config; //conf配置:pm、max_children、start_servers...
int listening_socket; //监听的套接字
...
//以下这个值用于master定时检查、记录worker数
struct fpm_child_s *children; //当前pool的worker链表
int running_children; //当前pool的worker运行总数
int idle_spawn_rate;
int warn_max_children;
struct fpm_scoreboard_s *scoreboard; //记录worker的运行信息,比如空闲、忙碌worker数
...

}

FPM的初始化

接下来看下 fpm 的启动流程,从main()函数开始:

//sapi/fpm/fpm/fpm_main.c
int main(int argc, char *argv[])
{

...
//注册SAPI:将全局变量sapi_module设置为cgi_sapi_module
sapi_startup(&cgi_sapi_module);
...
//执行php_module_starup()
if (cgi_sapi_module.startup(&cgi_sapi_module) == FAILURE) {
    return FPM_EXIT_SOFTWARE;
}
...
//初始化
if(0 > fpm_init(...)){
    ...
}
...
fpm_is_running = 1;
fcgi_fd = fpm_run(&max_requests);//后面都是worker进程的操作,master进程不会走到下面
parent = 0;
...

}
fpm_init()主要有以下几个关键操作:

(1) fpm_conf_init_main():

解析 php-fpm.conf 配置文件,分配 worker pool 内存结构并保存到全局变量中:fpm_worker_all_pools,各 worker pool 配置解析到fpm_worker_pool_s->config中。

(2)fpm_scoreboard_init_main():

分配用于记录 worker 进程运行信息的共享内存,按照 worker pool 的最大 worker 进程数分配,每个 worker pool 分配一个fpm_scoreboard_s结构,pool 下对应的每个 worker 进程分配一个fpm_scoreboard_proc_s结构,各结构的对应关系如下图。

每个worker进程分配一个fpm_scoreboard_proc_s结构,各结构的对应关系

(3)fpm_signals_init_main():

static int sp[2];
int fpm_signals_init_main()
{

struct sigaction act;
//创建一个全双工管道
if (0 > socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sp)) {
    return -1;
}
//注册信号处理handler
act.sa_handler = sig_handler;
sigfillset(&act.sa_mask);
if (0 > sigaction(SIGTERM,  &act, 0) ||
    0 > sigaction(SIGINT,   &act, 0) ||
    0 > sigaction(SIGUSR1,  &act, 0) ||
    0 > sigaction(SIGUSR2,  &act, 0) ||
    0 > sigaction(SIGCHLD,  &act, 0) ||
    0 > sigaction(SIGQUIT,  &act, 0)) {
    return -1;
}
return 0;

}
这里会通过socketpair()创建一个管道,这个管道并不是用于 master 与 worker 进程通信的,它只在 master 进程中使用,具体用途在稍后介绍 event 事件处理时再作说明。另外设置 master 的信号处理 handler,当 master 收到 SIGTERM、SIGINT、SIGUSR1、SIGUSR2、SIGCHLD、SIGQUIT 这些信号时将调用sig_handler()处理:

static void sig_handler(int signo)
{

static const char sig_chars[NSIG + 1] = {
    [SIGTERM] = 'T',
    [SIGINT]  = 'I',
    [SIGUSR1] = '1',
    [SIGUSR2] = '2',
    [SIGQUIT] = 'Q',
    [SIGCHLD] = 'C'
};
char s;
...
s = sig_chars[signo];
//将信号通知写入管道sp[1]端
write(sp[1], &s, sizeof(s));
...

}
(4)fpm_sockets_init_main()

创建每个 worker pool 的 socket 套接字。

(5)fpm_event_init_main():

启动 master 的事件管理,fpm 实现了一个事件管理器用于管理 IO、定时事件,其中 IO 事件通过 kqueue、epoll、poll、select 等管理,定时事件就是定时器,一定时间后触发某个事件。

在fpm_init()初始化完成后接下来就是最关键的fpm_run()操作了,此环节将 fork 子进程,启动进程管理器,另外 master 进程将不会再返回,只有各 worker 进程会返回,也就是说fpm_run()之后的操作均是 worker 进程的。

int fpm_run(int *max_requests)
{

struct fpm_worker_pool_s *wp;
for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
    //调用fpm_children_make() fork子进程
    is_parent = fpm_children_create_initial(wp);
    
    if (!is_parent) {
        goto run_child;
    }
}
//master进程将进入event循环,不再往下走
fpm_event_loop(0);

run_child: //只有worker进程会到这里

*max_requests = fpm_globals.max_requests;
return fpm_globals.listening_socket; //返回监听的套接字

}
在 fork 后 worker 进程返回了监听的套接字继续 main() 后面的处理,而 master 将永远阻塞在fpm_event_loop(),接下来分别介绍 master、worker 进程的后续操作。

请求处理

fpm_run()执行后将 fork 出 worker 进程,worker 进程返回main()中继续向下执行,后面的流程就是 worker 进程不断 accept 请求,然后执行 PHP 脚本并返回。整体流程如下:

(1)等待请求: worker 进程阻塞在 fcgi_accept_request() 等待请求;
(2)解析请求: fastcgi 请求到达后被 worker 接收,然后开始接收并解析请求数据,直到 request 数据完全到达;
(3)请求初始化: 执行 php_request_startup(),此阶段会调用每个扩展的:PHP_RINIT_FUNCTION();
(4)编译、执行: 由 php_execute_script() 完成 PHP 脚本的编译、执行;
(5)关闭请求: 请求完成后执行 php_request_shutdown(),此阶段会调用每个扩展的:PHP_RSHUTDOWN_FUNCTION(),然后进入步骤 (1) 等待下一个请求。
int main(int argc, char *argv[])
{

...
fcgi_fd = fpm_run(&max_requests);
parent = 0;
//初始化fastcgi请求
request = fpm_init_request(fcgi_fd);

//worker进程将阻塞在这,等待请求
while (EXPECTED(fcgi_accept_request(request) >= 0)) {
    SG(server_context) = (void *) request;
    init_request_info();
    
    //请求开始
    if (UNEXPECTED(php_request_startup() == FAILURE)) {
        ...
    }
    ...
    fpm_request_executing();
    //编译、执行PHP脚本
    php_execute_script(&file_handle);
    ...
    //请求结束
    php_request_shutdown((void *) 0);
    ...
}
...
//worker进程退出
php_module_shutdown();
...

}
worker 进程一次请求的处理被划分为 5 个阶段:

FPM_REQUEST_ACCEPTING: 等待请求阶段
FPM_REQUEST_READING_HEADERS: 读取 fastcgi 请求 header 阶段
FPM_REQUEST_INFO: 获取请求信息阶段,此阶段是将请求的 method、query stirng、request uri 等信息保存到各 worker 进程的 fpm_scoreboard_proc_s 结构中,此操作需要加锁,因为 master 进程也会操作此结构
FPM_REQUEST_EXECUTING: 执行请求阶段
FPM_REQUEST_END: 没有使用
FPM_REQUEST_FINISHED: 请求处理完成
worker 处理到各个阶段时将会把当前阶段更新到fpm_scoreboard_proc_s->request_stage,master 进程正是通过这个标识判断 worker 进程是否空闲的。

进程管理

这一节我们来看下 master 是如何管理 worker 进程的,首先介绍下三种不同的进程管理方式:

static: 这种方式比较简单,在启动时 master 按照pm.max_children配置 fork 出相应数量的 worker 进程,即 worker 进程数是固定不变的;
dynamic: 动态进程管理,首先在 fpm 启动时按照pm.start_servers初始化一定数量的 worker,运行期间如果 master 发现空闲 worker 数低于pm.min_spare_servers配置数(表示请求比较多,worker 处理不过来了)则会 fork worker 进程,但总的 worker 数不能超过pm.max_children,如果 master 发现空闲 worker 数超过了pm.max_spare_servers(表示闲着的 worker 太多了)则会杀掉一些 worker,避免占用过多资源,master 通过这 4 个值来控制 worker 数;
ondemand: 这种方式一般很少用,在启动时不分配 worker 进程,等到有请求了后再通知 master 进程 fork worker 进程,总的 worker 数不超过pm.max_children,处理完成后 worker 进程不会立即退出,当空闲时间超过pm.process_idle_timeout后再退出;
前面介绍到在fpm_run()中 master 进程将进入fpm_event_loop():

void fpm_event_loop(int err)
{

//创建一个io read的监听事件,这里监听的就是在fpm_init()阶段中通过socketpair()创建管道sp[0]
//当sp[0]可读时将回调fpm_got_signal()
fpm_event_set(&signal_fd_event, fpm_signals_get_fd(), FPM_EV_READ, &fpm_got_signal, NULL);
fpm_event_add(&signal_fd_event, 0);
//如果在php-fpm.conf配置了request_terminate_timeout则启动心跳检查
if (fpm_globals.heartbeat > 0) {
    fpm_pctl_heartbeat(NULL, 0, NULL);
}
//定时触发进程管理
fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance_heartbeat(NULL, 0, NULL);

//进入事件循环,master进程将阻塞在此
while (1) {
    ...
    //等待IO事件
    ret = module->wait(fpm_event_queue_fd, timeout);
    ...
    //检查定时器事件
    ...
}

}
这就是 master 整体的处理,其进程管理主要依赖注册的几个事件,接下来我们详细分析下这几个事件的功能。

(1)sp[1]管道可读事件:

在fpm_init()阶段 master 曾创建了一个全双工的管道:sp,然后在这里创建了一个 sp[0] 可读的事件,当 sp[0] 可读时将交由fpm_got_signal()处理,向 sp[1] 写数据时 sp[0] 才会可读,那么什么时机会向 sp[1] 写数据呢?前面已经提到了:当 master 收到注册的那几种信号时会写入 sp[1] 端,这个时候将触发 sp[0] 可读事件。

![当master收到注册的那几种信号时会写入sp[1]端,这个时候将触发sp[0]可读事件。][4]

这个事件是 master 用于处理信号的,我们根据 master 注册的信号逐个看下不同用途:

SIGINT/SIGTERM/SIGQUIT: 退出 fpm,在 master 收到退出信号后将向所有的 worker 进程发送退出信号,然后 master 退出;
SIGUSR1: 重新加载日志文件,生产环境中通常会对日志进行切割,切割后会生成一个新的日志文件,如果 fpm 不重新加载将无法继续写入日志,这个时候就需要向 master 发送一个 USR1 的信号;
SIGUSR2: 重启 fpm,首先 master 也是会向所有的 worker 进程发送退出信号,然后 master 会调用 execvp() 重新启动 fpm ,最后旧的 master 退出;
SIGCHLD: 这个信号是子进程退出时操作系统发送给父进程的,子进程退出时,内核将子进程置为僵尸状态,这个进程称为僵尸进程,它只保留最小的一些内核数据结构,以便父进程查询子进程的退出状态,只有当父进程调用 wait 或者 waitpid 函数查询子进程退出状态后子进程才告终止, fpm 中当 worker 进程因为异常原因(比如 coredump 了)退出而非 master 主动杀掉时 master 将受到此信号,这个时候父进程将调用 waitpid() 查下子进程的退出,然后检查下是不是需要重新 fork 新的 worker;
具体处理逻辑在fpm_got_signal()函数中,这里不再罗列。

(2)fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance_heartbeat():

这是进程管理实现的主要事件,master 启动了一个定时器,每隔 1s 触发一次,主要用于 dynamic、ondemand 模式下的 worker 管理,master 会定时检查各 worker pool 的 worker 进程数,通过此定时器实现 worker 数量的控制,处理逻辑如下:

static void fpm_pctl_perform_idle_server_maintenance(struct timeval *now)
{

for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
    struct fpm_child_s *last_idle_child = NULL; //空闲时间最久的worker
    int idle = 0; //空闲worker数
    int active = 0; //忙碌worker数
    
    for (child = wp->children; child; child = child->next) {
        //根据worker进程的fpm_scoreboard_proc_s->request_stage判断
        if (fpm_request_is_idle(child)) {
            //找空闲时间最久的worker
            ...
            idle++;
        }else{
            active++;
        }
    }
    ...
    //ondemand模式
    if (wp->config->pm == PM_STYLE_ONDEMAND) {
        if (!last_idle_child) continue;
        fpm_request_last_activity(last_idle_child, &last);
        fpm_clock_get(&now);
        if (last.tv_sec < now.tv_sec - wp->config->pm_process_idle_timeout) {
            //如果空闲时间最长的worker空闲时间超过了process_idle_timeout则杀掉该worker
            last_idle_child->idle_kill = 1;
            fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
        } 
        continue;
    }
    //dynamic
    if (wp->config->pm != PM_STYLE_DYNAMIC) continue;
    if (idle > wp->config->pm_max_spare_servers && last_idle_child) {
        //空闲worker太多了,杀掉
        last_idle_child->idle_kill = 1;
        fpm_pctl_kill(last_idle_child->pid, FPM_PCTL_QUIT);
        wp->idle_spawn_rate = 1;
        continue;
    }
    if (idle < wp->config->pm_min_spare_servers) {
        //空闲worker太少了,如果总worker数未达到max数则fork
        ...
    }
}

}
(3)fpm_pctl_heartbeat():

这个事件是用于限制 worker 处理单个请求最大耗时的,php-fpm.conf 中有一个request_terminate_timeout的配置项,如果 worker 处理一个请求的总时长超过了这个值那么 master 将会向此 worker 进程发送kill -TERM信号杀掉 worker 进程,此配置单位为秒,默认值为 0 表示关闭此机制,另外 fpm 打印的 slow log 也是在这里完成的。

static void fpm_pctl_check_request_timeout(struct timeval *now)
{

struct fpm_worker_pool_s *wp;
for (wp = fpm_worker_all_pools; wp; wp = wp->next) {
    int terminate_timeout = wp->config->request_terminate_timeout;
    int slowlog_timeout = wp->config->request_slowlog_timeout;
    struct fpm_child_s *child;
    if (terminate_timeout || slowlog_timeout) { 
        for (child = wp->children; child; child = child->next) {
            //检查当前当前worker处理的请求是否超时
            fpm_request_check_timed_out(child, now, terminate_timeout, slowlog_timeout);
        }
    }
}

}
除了上面这几个事件外还有一个没有提到,那就是 ondemand 模式下 master 监听的新请求到达的事件,因为 ondemand 模式下 fpm 启动时是不会预创建 worker 的,有请求时才会生成子进程,所以请求到达时需要通知 master 进程,这个事件是在fpm_children_create_initial()时注册的,事件处理函数为fpm_pctl_on_socket_accept(),具体逻辑这里不再展开,比较容易理解。

到目前为止我们已经把 fpm 的核心实现介绍完了,事实上 fpm 的实现还是比较简单的。

原创文章,作者:Y.Y,如若转载,请注明出处:https://84361749.com/post/php-fpm-all-you-need-to-know.html

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