PHP 使用协同程序实现合作多任务

多任务协作

如果阅读了上面的logger()例子，那么你认为“为了双向通信我为什么要使用协程呢？ 为什么我不能只用常见的类呢？”，你这么问完全正确。上面的例子演示了基本用法，然而上下文中没有真正的展示出使用协程的优点。这就是列举许多协程例子的理由。正如上面介绍里提到的，协程是非常强大的概念，不过这样的应用很稀少而且常常十分复杂。给出一些简单而真实的例子很难。

在这篇文章里，我决定去做的是使用协程实现多任务协作。我们尽力解决的问题是你想并发地运行多任务(或者“程序”）。不过处理器在一个时刻只能运行一个任务（这篇文章的目标是不考虑多核的）。因此处理器需要在不同的任务之间进行切换，而且总是让每个任务运行 “一小会儿”。

几点人

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多任务协作这个术语中的“协作”说明了如何进行这种切换的：它要求当前正在运行的任务自动把控制传回给调度器，这样它就可以运行其他任务了。这与“抢占”多任务相反，抢占多任务是这样的：调度器可以中断运行了一段时间的任务，不管它喜欢还是不喜欢。协作多任务在Windows的早期版本（windows95)和Mac OS中有使用，不过它们后来都切换到使用抢先多任务了。理由相当明确：如果你依靠程序自动传回 控制的话，那么坏行为的软件将很容易为自身占用整个CPU，不与其他任务共享。

这个时候你应当明白协程和任务调度之间的联系：yield指令提供了任务中断自身的一种方法，然后把控制传递给调度器。因此协程可以运行多个其他任务。更进一步来说，yield可以用来在任务和调度器之间进行通信。

几点人

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我们的目的是 对 “任务”用更轻量级的包装的协程函数:

<?php

class Task {
    protected $taskId;
    protected $coroutine;
    protected $sendValue = null;
    protected $beforeFirstYield = true;

    public function __construct($taskId, Generator $coroutine) {
        $this->taskId = $taskId;
        $this->coroutine = $coroutine;
    }

    public function getTaskId() {
        return $this->taskId;
    }

    public function setSendValue($sendValue) {
        $this->sendValue = $sendValue;
    }

    public function run() {
        if ($this->beforeFirstYield) {
            $this->beforeFirstYield = false;
            return $this->coroutine->current();
        } else {
            $retval = $this->coroutine->send($this->sendValue);
            $this->sendValue = null;
            return $retval;
        }
    }

    public function isFinished() {
        return !$this->coroutine->valid();
    }
}

一个任务是用 任务ID标记一个协程。使用setSendValue()方法，你可以指定哪些值将被发送到下次的恢复（在之后你会了解到我们需要这个）。 run()函数确实没有做什么，除了调用send()方法的协同程序。要理解为什么添加beforeFirstYieldflag，需要考虑下面的代码片段：

<?php

function gen() {
    yield 'foo';
    yield 'bar';
}

$gen = gen();
var_dump($gen->send('something'));

// As the send() happens before the first yield there is an implicit rewind() call,
// so what really happens is this:
$gen->rewind();
var_dump($gen->send('something'));

// The rewind() will advance to the first yield (and ignore its value), the send() will
// advance to the second yield (and dump its value). Thus we loose the first yielded value!

通过添加 beforeFirstYieldcondition 我们可以确定 first yield 的值 被返回。

蒋锴

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调度器现在不得不比多任务循环要做稍微多点了，然后才运行多任务：

<?php

class Scheduler {
    protected $maxTaskId = 0;
    protected $taskMap = []; // taskId => task
    protected $taskQueue;

    public function __construct() {
        $this->taskQueue = new SplQueue();
    }

    public function newTask(Generator $coroutine) {
        $tid = ++$this->maxTaskId;
        $task = new Task($tid, $coroutine);
        $this->taskMap[$tid] = $task;
        $this->schedule($task);
        return $tid;
    }

    public function schedule(Task $task) {
        $this->taskQueue->enqueue($task);
    }

    public function run() {
        while (!$this->taskQueue->isEmpty()) {
            $task = $this->taskQueue->dequeue();
            $task->run();

            if ($task->isFinished()) {
                unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
            } else {
                $this->schedule($task);
            }
        }
    }
}

newTask()方法（使用下一个空闲的任务id）创建一个新任务，然后把这个任务放入任务映射数组里。接着它通过把任务放入任务队列里来实现对任务的调度。接着run()方法扫描任务队列，运行任务。如果一个任务结束了，那么它将从队列里删除，否则它将在队列的末尾再次被调度。 
 让我们看看下面具有两个简单（并且没有什么意义）任务的调度器：

<?php

function task1() {
    for ($i = 1; $i <= 10; ++$i) {
        echo "This is task 1 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}

function task2() {
    for ($i = 1; $i <= 5; ++$i) {
        echo "This is task 2 iteration $i.\n";
        yield;
    }
}

$scheduler = new Scheduler;

$scheduler->newTask(task1());
$scheduler->newTask(task2());

$scheduler->run();

两个任务都仅仅回显一条信息，然后使用yield把控制回传给调度器。输出结果如下：

This is task 1 iteration 1.
This is task 2 iteration 1.
This is task 1 iteration 2.
This is task 2 iteration 2.
This is task 1 iteration 3.
This is task 2 iteration 3.
This is task 1 iteration 4.
This is task 2 iteration 4.
This is task 1 iteration 5.
This is task 2 iteration 5.
This is task 1 iteration 6.
This is task 1 iteration 7.
This is task 1 iteration 8.
This is task 1 iteration 9.
This is task 1 iteration 10.

输出确实如我们所期望的：对前五个迭代来说，两个任务是交替运行的，接着第二个任务结束后，只有第一个任务继续运行。

几点人

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与调度器之间通信

既然调度器已经运行了，那么我们就转向日程表的下一项：任务和调度器之间的通信。我们将使用进程用来和操作系统会话的同样的方式来通信：系统调用。我们需要系统调用的理由是操作系统与进程相比它处在不同的权限级别上。因此为了执行特权级别的操作（如杀死另一个进程），就不得不以某种方式把控制传回给内核，这样内核就可以执行所说的操作了。再说一遍，这种行为在内部是通过使用中断指令来实现的。过去使用的是通用的int指令，如今使用的是更特殊并且更快速的syscall/sysenter指令。

我们的任务调度系统将反映这种设计：不是简单地把调度器传递给任务（这样久允许它做它想做的任何事），我们将通过给yield表达式传递信息来与系统调用通信。这儿yield即是中断，也是传递信息给调度器（和从调度器传递出信息）的方法。

几点人

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为了说明系统调用，我将对可调用的系统调用做一个小小的封装：

<?php

class SystemCall {
    protected $callback;

    public function __construct(callable $callback) {
        $this->callback = $callback;
    }

    public function __invoke(Task $task, Scheduler $scheduler) {
        $callback = $this->callback; // Can't call it directly in PHP :/
        return $callback($task, $scheduler);
    }
}

它将像其他任何可调用那样(使用_invoke)运行，不过它要求调度器把正在调用的任务和自身传递给这个函数。为了解决这个问题 我们不得不微微的修改调度器的run方法：

<?php
public function run() {
    while (!$this->taskQueue->isEmpty()) {
        $task = $this->taskQueue->dequeue();
        $retval = $task->run();

        if ($retval instanceof SystemCall) {
            $retval($task, $this);
            continue;
        }

        if ($task->isFinished()) {
            unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);
        } else {
            $this->schedule($task);
        }
    }
}

第一个系统调用除了返回任务ID外什么都没有做：

<?php
function getTaskId() {
    return new SystemCall(function(Task $task, Scheduler $scheduler) {
        $task->setSendValue($task->getTaskId());
        $scheduler->schedule($task);
    });
}

这个函数确实设置任务id为下一次发送的值，并再次调度了这个任务。由于使用了系统调用，所以调度器不能自动调用任务，我们需要手工调度任务（稍后你将明白为什么这么做）。要使用这个新的系统调用的话，我们要重新编写以前的例子：

<?php

function task($max) {
    $tid = (yield getTaskId()); // <-- here's the syscall!
    for ($i = 1; $i <= $max; ++$i) {
        echo "This is task $tid iteration $i.\n";
        yield;
    }
}

$scheduler = new Scheduler;

$scheduler->newTask(task(10));
$scheduler->newTask(task(5));

$scheduler->run();

这段代码将给出与前一个例子相同的输出。注意系统调用同其他任何调用一样正常地运行，不过预先增加了yield。要创建新的任务，然后再杀死它们的话，需要两个以上的系统调用：

<?php

function newTask(Generator $coroutine) {
    return new SystemCall(
        function(Task $task, Scheduler $scheduler) use ($coroutine) {
            $task->setSendValue($scheduler->newTask($coroutine));
            $scheduler->schedule($task);
        }
    );
}

function killTask($tid) {
    return new SystemCall(
        function(Task $task, Scheduler $scheduler) use ($tid) {
            $task->setSendValue($scheduler->killTask($tid));
            $scheduler->schedule($task);
        }
    );
}

killTask函数需要在调度器里增加一个方法：

<?php

public function killTask($tid) {
    if (!isset($this->taskMap[$tid])) {
        return false;
    }

    unset($this->taskMap[$tid]);

    // This is a bit ugly and could be optimized so it does not have to walk the queue,
    // but assuming that killing tasks is rather rare I won't bother with it now
    foreach ($this->taskQueue as $i => $task) {
        if ($task->getTaskId() === $tid) {
            unset($this->taskQueue[$i]);
            break;
        }
    }

    return true;
}

用来测试新功能的微脚本：

<?php

function childTask() {
    $tid = (yield getTaskId());
    while (true) {
        echo "Child task $tid still alive!\n";
        yield;
    }
}

function task() {
    $tid = (yield getTaskId());
    $childTid = (yield newTask(childTask()));

    for ($i = 1; $i <= 6; ++$i) {
        echo "Parent task $tid iteration $i.\n";
        yield;

        if ($i == 3) yield killTask($childTid);
    }
}

$scheduler = new Scheduler;
$scheduler->newTask(task());
$scheduler->run();

这段代码将打印以下信息：

Parent task 1 iteration 1.
Child task 2 still alive!
Parent task 1 iteration 2.
Child task 2 still alive!
Parent task 1 iteration 3.
Child task 2 still alive!
Parent task 1 iteration 4.
Parent task 1 iteration 5.
Parent task 1 iteration 6.