9. PHP Socket 初探 - 先从一个简单的 socket 服务器开始

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小牛编辑

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2023-12-01

socket 的中文名字叫做套接字，这种东西就是对 TCP/IP 的封装。现实中的网络实际上只有四层而已，从上至下分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层。最常用的 http 协议则是属于应用层的协议，而 socket，可以简单粗暴的理解为是传输层的一种东西。如果还是很难理解，那再粗暴地点儿 tcp://218.221.11.23:9999，看到没？这就是一个 tcp socket。

socket 赋予了我们操控传输层和网络层的能力，从而得到更强的性能和更高的效率，socket 编程是解决高并发网络服务器的最常用解决和成熟的解决方案。任何一名服务器程序员都应当掌握socket编程相关技能。

在 php 中，可以操控 socket 的函数一共有两套，一套是socket*系列的函数，另一套是 stream 系列的函数。socket_ 是 php 直接将 C 语言中的 socket 抄了过来得到的实现，而 stream* 系则是 php 使用流的概念将其进行了一层封装。下面用 socket* 系函数简单为这一系列文章开个篇。

先来做个最简单 socket 服务器：

<?php
$host = '0.0.0.0';
$port = 9999;
// 创建一个tcp socket
$listen_socket = socket_create( AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP );
// 将socket bind到IP：port上
socket_bind( $listen_socket, $host, $port );
// 开始监听socket
socket_listen( $listen_socket );
// 进入while循环，不用担心死循环死机，因为程序将会阻塞在下面的socket_accept()函数上
while( true ){
  // 此处将会阻塞住，一直到有客户端来连接服务器。阻塞状态的进程是不会占据CPU的
  // 所以你不用担心while循环会将机器拖垮，不会的 
  $connection_socket = socket_accept( $listen_socket );
  // 向客户端发送一个helloworld
  $msg = "helloworld\r\n";
  socket_write( $connection_socket, $msg, strlen( $msg ) );
  socket_close( $connection_socket );
}
socket_close( $listen_socket );

将文件保存为 server.php，然后执行 php server.php 运行起来。客户端我们使用 telnet 就可以了，打开另外一个终端执行 telnet 127.0.0.1 9999 按下回车即可。运行结果如下：

简单解析一下上述代码来说明一下 tcp socket 服务器的流程：

1.首先，根据协议族（或地址族）、套接字类型以及具体的的某个协议来创建一个 socket。
2.第二，将上一步创建好的 socket 绑定（bind）到一个 ip:port 上。
3.第三，开启监听 listen。
4.第四，使服务器代码进入无限循环不退出，当没有客户端连接时，程序阻塞在 accept 上，有连接进来时才会往下执行，然后再次循环下去，为客户端提供持久服务。

上面这个案例中，有两个很大的缺陷：

1.一次只可以为一个客户端提供服务，如果正在为第一个客户端发送 helloworld 期间有第二个客户端来连接，那么第二个客户端就必须要等待片刻才行。
2.很容易受到攻击，造成拒绝服务。

分析了上述问题后，又联想到了前面说的多进程，那我们可以在 accpet 到一个请求后就 fork 一个子进程来处理这个客户端的请求，这样当 accept 了第二个客户端后再 fork 一个子进程来处理第二个客户端的请求，这样问题不就解决了吗？撸一把代码演示一下：

<?php
$host = '0.0.0.0';
$port = 9999;
// 创建一个tcp socket
$listen_socket = socket_create( AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP );
// 将socket bind到IP：port上
socket_bind( $listen_socket, $host, $port );
// 开始监听socket
socket_listen( $listen_socket );
// 进入while循环，不用担心死循环死机，因为程序将会阻塞在下面的socket_accept()函数上
while( true ){
  // 此处将会阻塞住，一直到有客户端来连接服务器。阻塞状态的进程是不会占据CPU的
  // 所以你不用担心while循环会将机器拖垮，不会的 
  $connection_socket = socket_accept( $listen_socket );
  // 当accept了新的客户端连接后，就fork出一个子进程专门处理
  $pid = pcntl_fork();
  // 在子进程中处理当前连接的请求业务
  if( 0 == $pid ){
    // 向客户端发送一个helloworld
    $msg = "helloworld\r\n";
    socket_write( $connection_socket, $msg, strlen( $msg ) );
    // 休眠5秒钟，可以用来观察时候可以同时为多个客户端提供服务
    echo time().' : a new client'.PHP_EOL;
    sleep( 5 );
    socket_close( $connection_socket );
    exit;
  }
}
socket_close( $listen_socket );

将代码保存为 server.php，然后执行 php server.php，客户端依然使用 telnet 127.0.0.1 9999，只不过这次我们开启两个终端来执行 telnet。重点观察当第一个客户端连接上去后，第二个客户端时候也可以连接上去。运行结果如下：

通过接受到客户端请求的时间戳可以看到现在服务器可以同时为 N 个客户端服务的。但是，接着想，如果先后有1万个客户端来请求呢？这个时候服务器会 fork 出1万个子进程来处理每个客户端连接，这是会死人的。fork 本身就是一个很浪费系统资源的系统调用，1W 次 fork 足以让系统崩溃，即便当下系统承受住了 1W 次 fork，那么 fork 出来的这 1W 个子进程也够系统内存喝一壶了，最后是好不容易费劲 fork 出来的子进程在处理完毕当前客户端后又被关闭了，下次请求还要重新 fork，这本身就是一种浪费，不符合社会主义主流价值观。如果是有人恶意攻击，那么系统 fork 的数量还会呈直线上涨一直到系统崩溃。

所以，我们就再次提出增进型解决方案。我们可以预估一下业务量，然后在服务启动的时候就fork出固定数量的子进程，每个子进程处于无限循环中并阻塞在 accept 上，当有客户端连接挤进来就处理客户请求，当处理完成后仅仅关闭连接但本身并不销毁，而是继续等待下一个客户端的请求。这样，不仅避免了进程反复 fork 销毁巨大资源浪费，而且通过固定数量的子进程来保护系统不会因无限fork而崩溃。

<?php
$host = '0.0.0.0';
$port = 9999;
// 创建一个tcp socket
$listen_socket = socket_create( AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP );
// 将socket bind到IP：port上
socket_bind( $listen_socket, $host, $port );
// 开始监听socket
socket_listen( $listen_socket );
// 给主进程换个名字
cli_set_process_title( 'phpserver master process' );
// 按照数量fork出固定个数子进程
for( $i = 1; $i <= 10; $i++ ){
  $pid = pcntl_fork();
  if( 0 == $pid ){
    cli_set_process_title( 'phpserver worker process' );
    while( true ){
      $conn_socket = socket_accept( $listen_socket );
      $msg = "helloworld\r\n";
      socket_write( $conn_socket, $msg, strlen( $msg ) );
      socket_close( $conn_socket );
    }
  }
}
// 主进程不可以退出，代码演示比较粗暴，为了不保证退出直接走while循环，休眠一秒钟
// 实际上，主进程真正该做的应该是收集子进程pid，监控各个子进程的状态等等
while( true ){
  sleep( 1 );
}
socket_close( $connection_socket );

将文件保存为 server.php 后 php server.php 执行，然后再用 ps -ef | grep phpserver | grep -v grep 来看下服务器进程状态：

可以看到 master 进程存在，除此之外还有 10 个子进程处于等待服务状态，再同一个时刻可以同时为 10 个客户端提供服务。我们通过 telnet 127.0.0.1 9999 来尝试一下，运行结果如下图：

好啦，php 新的征程系列就先通过一个简单的入门开始啦！下篇将会讲述一些比较深刻的理论基础知识。