php-fpm的工作机制

作者: 皮儿吃屁 | 来源:发表于2020-08-27 18:03 被阅读0次

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-pool

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。
(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：

等待请求： worker 进程阻塞在 fcgi_accept_request() 等待请求；
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；
请求初始化：执行 php_request_startup()，此阶段会调用每个扩展的：PHP_RINIT_FUNCTION()；
编译、执行：由 php_execute_script() 完成 PHP 脚本的编译、执行；
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

接下来我们来看下 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。

event

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。

原文出处：https://www.fanhaobai.com/2017/10/internal-php-fpm.html

php-fpm的工作机制

基本实现

FPM的初始化

请求处理

进程管理

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