PHP实现网络Socket及IO多路复用

一直以来，PHP很少用于socket编程，毕竟是一门脚本语言，效率会成为很大的瓶颈，但是不能说PHP就无法用于socket编程，也不能说PHP的socket编程性能就有多么的低，例如知名的一款PHP socket框架 workerman 就是用纯PHP开发，并且号称拥有优秀的性能，所以在某些环境下，PHP socket编程或许也可一展身手。

PHP提供了一系列类似C语言socket库中的方法供我们调用：

socket_accept — Accepts a connection on a socket
socket_bind — 给套接字绑定名字
socket_clear_error — 清除套接字或者最后的错误代码上的错误
socket_close — 关闭套接字资源
socket_cmsg_space — Calculate message buffer size
socket_connect — 开启一个套接字连接
socket_create_listen — Opens a socket on port to accept connections
socket_create_pair — Creates a pair of indistinguishable sockets and stores them in an array
socket_create — 创建一个套接字（通讯节点）
socket_get_option — Gets socket options for the socket
socket_getopt — 别名 socket_get_option
socket_getpeername — Queries the remote side of the given socket which may either result in host/port or in a Unix filesystem path, dependent on its type
socket_getsockname — Queries the local side of the given socket which may either result in host/port or in a Unix filesystem path, dependent on its type
socket_import_stream — Import a stream
socket_last_error — Returns the last error on the socket
socket_listen — Listens for a connection on a socket
socket_read — Reads a maximum of length bytes from a socket
socket_recv — 从已连接的socket接收数据
socket_recvfrom — Receives data from a socket whether or not it is connection-oriented
socket_recvmsg — Read a message
socket_select — Runs the select() system call on the given arrays of sockets with a specified timeout
socket_send — Sends data to a connected socket
socket_sendmsg — Send a message
socket_sendto — Sends a message to a socket, whether it is connected or not
socket_set_block — Sets blocking mode on a socket resource
socket_set_nonblock — Sets nonblocking mode for file descriptor fd
socket_set_option — Sets socket options for the socket
socket_setopt — 别名 socket_set_option
socket_shutdown — Shuts down a socket for receiving, sending, or both
socket_strerror — Return a string describing a socket error
socket_write — Write to a socket

更多细节请查看PHP关于socket的官方手册：http://php.net/manual/zh/book.sockets.php

一个简单的TCP服务器示例 phptcpserver.php ：

<?php

$servsock = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);  // 创建一个socket

if (FALSE === $servsock)
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket create fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

if (!socket_bind($servsock, '127.0.0.1', 8888))    // 绑定ip地址及端口
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket bind fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

if (!socket_listen($servsock, 128))      // 允许多少个客户端来排队连接
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket listen fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

while (1)
{
    $connsock = socket_accept($servsock);  //响应客户端连接

    if ($connsock)
    {
        socket_getpeername($connsock, $addr, $port);  //获取连接过来的客户端ip地址和端口
        echo "client connect server: ip = $addr, port = $port" . PHP_EOL;

        while (1)
        {
            $data = socket_read($connsock, 1024);  //从客户端读取数据

            if ($data === '')
            {
                //客户端关闭
                socket_close($connsock);
                echo "client close" . PHP_EOL;
                break;
            }
            else
            {
                echo 'read from client:' . $data;
                $data = strtoupper($data);  //小写转大写
                socket_write($connsock, $data);  //回写给客户端
            }
        }
    }
}

socket_close($servsock);

启动这个服务器：

[root@localhost php]# php phptcpserver.php

之后这个服务器就一直阻塞在那里，等待客户端连接，我们可以用telnet命令来连接这个服务器：

[root@localhost ~]# telnet 127.0.0.1 8888
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
ajdjajksdjkaasda
AJDJAJKSDJKAASDA
小明哈哈哈哈笑
小明哈哈哈哈笑
小明efsfsdfsdf了哈哈哈
小明EFSFSDFSDF了哈哈哈

服务器端输出：

[root@localhost php]# php phptcpserver.php
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50398
read from client:ajdjajksdjkaasda
read from client:小明哈哈哈哈笑
read from client:小明efsfsdfsdf了哈哈哈

但其实这个TCP服务器是有问题的，它一次只能处理一个客户端的连接和数据传输，这是因为一个客户端连接过来后，进程就去负责读写客户端数据，当客户端没有传输数据时，tcp服务器处于阻塞读状态，无法再去处理其他客户端的连接请求了。
解决这个问题的一种办法就是采用多进程服务器，每当一个客户端连接过来，服务器开一个子进程专门负责和该客户端的数据传输，而父进程仍然监听客户端的连接，但是起进程的代价是昂贵的，这种多进程的机制显然支撑不了高并发。

另一个解决办法是使用IO多路复用机制，使用php为我们提供的socket_select方法，它可以监听多个socket，如果其中某个socket状态发生了改变，比如从不可写变为可写，从不可读变为可读，这个方法就会返回，从而我们就可以去处理这个socket，处理客户端的连接，读写操作等等。

php文档中对该socket_select的介绍大致翻译下：

socket_select  ---  在给定的几组sockets数组上执行 select() 系统调用，用一个特定的超时时间。

socket_select() 接受几组sockets数组作为参数，并监听它们改变状态

这些基于BSD scokets 能够识别这些socket资源数组实际上就是文件描述符集合。

三个不同的socket资源数组会被同时监听。

这三个资源数组不是必传的， 你可以用一个空数组或者NULL作为参数，不要忘记这三个数组是以引用的方式传递的，在函数返回后，这些数组的值会被改变。

socket_select() 调用成功返回这三个数组中状态改变的socket总数，如果设置了timeout，并且在timeout之内都没有状态改变，这个函数将返回0，出错时返回FALSE，可以用socket_last_error() 获取错误码。

使用 socket_select() 优化之前 phptcpserver.php 代码：

<?php

$servsock = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);  // 创建一个socket

if (FALSE === $servsock)
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket create fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

if (!socket_bind($servsock, '127.0.0.1', 8888))    // 绑定ip地址及端口
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket bind fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

if (!socket_listen($servsock, 128))      // 允许多少个客户端来排队连接
{
    $errcode = socket_last_error();
    fwrite(STDERR, "socket listen fail: " . socket_strerror($errcode));
    exit(-1);
}

/* 要监听的三个sockets数组 */
$read_socks = array();
$write_socks = array();
$except_socks = NULL;  // 注意 php 不支持直接将NULL作为引用传参，所以这里定义一个变量

$read_socks[] = $servsock;

while (1)
{
    /* 这两个数组会被改变，所以用两个临时变量 */
    $tmp_reads = $read_socks;
    $tmp_writes = $write_socks;

    // int socket_select ( array &$read , array &$write , array &$except , int $tv_sec [, int $tv_usec = 0 ] )
    $count = socket_select($tmp_reads, $tmp_writes, $except_socks, NULL);  // timeout 传 NULL 会一直阻塞直到有结果返回

    foreach ($tmp_reads as $read)
    {

        if ($read == $servsock)
        {
            /* 有新的客户端连接请求 */
            $connsock = socket_accept($servsock);  //响应客户端连接， 此时不会造成阻塞
            if ($connsock)
            {
                socket_getpeername($connsock, $addr, $port);  //获取远程客户端ip地址和端口
                echo "client connect server: ip = $addr, port = $port" . PHP_EOL;

                // 把新的连接sokcet加入监听
                $read_socks[] = $connsock;
                $write_socks[] = $connsock;
            }
        }
        else
        {
            /* 客户端传输数据 */
            $data = socket_read($read, 1024);  //从客户端读取数据, 此时一定会读到数组而不会产生阻塞

            if ($data === '')
            {
                //移除对该 socket 监听
                foreach ($read_socks as $key => $val)
                {
                    if ($val == $read) unset($read_socks[$key]);
                }

                foreach ($write_socks as $key => $val)
                {
                    if ($val == $read) unset($write_socks[$key]);
                }

                socket_close($read);
                echo "client close" . PHP_EOL;

            }
            else
            {
                socket_getpeername($read, $addr, $port);  //获取远程客户端ip地址和端口

                echo "read from client # $addr:$port # " . $data;

                $data = strtoupper($data);  //小写转大写

                if (in_array($read, $tmp_writes))
                {
                    //如果该客户端可写 把数据回写给客户端
                    socket_write($read, $data);
                }
            }
        }
    }
}

socket_close($servsock);

现在，这个TCP服务器就可以支持多个客户端同时连接了，测试下：
服务器端：

[root@localhost php]# php phptcpserver.php
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50404
read from client # 127.0.0.1:50404 # hello world
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50406
read from client # 127.0.0.1:50406 # hello PHP
read from client # 127.0.0.1:50404 # 少小离家老大回
read from client # 127.0.0.1:50404 # 乡音无改鬓毛衰
read from client # 127.0.0.1:50406 # 老当益壮，
read from client # 127.0.0.1:50406 # 宁移白首之心
client close
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50408

稍微修改上面的服务器返回，返回一个HTTP响应头和一个简单的HTTP响应体，这样就摇身一变成了一个最简单的HTTP服务器：

....

                socket_getpeername($read, $addr, $port);  //获取远程客户端ip地址和端口

                echo "read from client # $addr:$port # " . $data;

                $response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n";
                $response .= "Server: phphttpserver\r\n";
                $response .= "Content-Type: text/html\r\n";
                $response .= "Content-Length: 3\r\n\r\n";
                $response .= "ok\n";

                if (in_array($read, $tmp_writes))
                {
                    //如果该客户端可写 把数据回写给客户端
                    socket_write($read, $response);
                    socket_close($read);  // 主动关闭客户端连接
                    //移除对该 socket 监听
                    foreach ($read_socks as $key => $val)
                    {
                        if ($val == $read) unset($read_socks[$key]);
                    }

                    foreach ($write_socks as $key => $val)
                    {
                        if ($val == $read) unset($write_socks[$key]);
                    }
                }
.....

重新启动该服务器，用curl模拟请求该http服务器：

[root@localhost ~]# curl '127.0.0.1:8888'
ok
[root@localhost ~]# curl '127.0.0.1:8888'
ok
[root@localhost ~]# curl '127.0.0.1:8888'
ok
[root@localhost ~]# curl '127.0.0.1:8888'
ok
[root@localhost ~]# curl '127.0.0.1:8888'
ok
[root@localhost ~]#

服务器端输出：

client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50450
read from client # 127.0.0.1:50450 # GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl/7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.27.1 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Host: 127.0.0.1:8888
Accept: */*

client close
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50452
read from client # 127.0.0.1:50452 # GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl/7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.27.1 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Host: 127.0.0.1:8888
Accept: */*

client close
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50454
read from client # 127.0.0.1:50454 # GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl/7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.27.1 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Host: 127.0.0.1:8888
Accept: */*

client close
client connect server: ip = 127.0.0.1, port = 50456
read from client # 127.0.0.1:50456 # GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl/7.19.7 (x86_64-redhat-linux-gnu) libcurl/7.19.7 NSS/3.27.1 zlib/1.2.3 libidn/1.18 libssh2/1.4.2
Host: 127.0.0.1:8888
Accept: */*

client close

这样一个高并发的HTTP服务器就开发好了，用压测软件测试下并发能力：

看到高达5000多的QPS，有没有小激动呢^^。

PHP是世界上最好的语言 that's all !