PHP 的原生协程 (yield/yield from/fiber) 到底有什么用，或者说后续如何发展？

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• Title: PHP 的原生协程 (yield/yield from/fiber) 到底有什么用，或者说后续如何发展？
• Tag: PHP、Coroutine 、yield 、 fiber
• Author: Tacks
• Create-Date: 2023-11-22
• Update-Date: 2023-11-22

0x1. 👓 大话一下（进程、线程、协程）

• 纸带打孔时期

早期打孔纸带时期，都是人工来介入，一边是程序员进行打孔，一边是运输员把纸带送入传输机中，计算机同时只能载入一个纸带（内存中单个纸带作业）进行运算（单个作业），然后产生结果以纸带的形式输出。

🤯：问题是这样手速太慢了，而且每次只能载入一个纸带，CPU 大佬就是说非常闲，于是人们就想办法预先多加载纸带，来加快人工录入。

😎：于是引入 『批处理』 脱机输入/输出技术，（利用外围机将纸带数据存入磁盘）

• 单道批处理时期

『单道批处理时期』，引入磁带作为外部介质，通过外围机可以将多条纸带任务预先载入磁带，然后配合系统的 监督程序 ，让这些作业可以依次加载到内存中，但是 CPU 还是一个作业一个作业执行，毕竟单核 CPU 也不能并行。

🤯：磁带录入速度比纸带快，一定程度上让人工的效率提高了，但内存中还是只能有一道作业（单道），CPU 结束了一个作业，内存中才能再次载入新的作业，然后交给 CPU 去执行；

🤖：CPU 说，你们 IO 太慢了，加载个作业，我都睡上一觉了，哈哈哈哈哈 ~

😎：既然单道不行，那就多道，想办法在内存中存放多个作业，反正就把作业都给你 CPU 跑， 于是引入了 『进程』 ，就是想办法隔离两个作业，又不会互相影响。

• 多道批处理时期

『多道批处理时期』，有了『操作系统』、『进程』、『中断』这些概念，操作系统可以批量将磁带里面的作业进行IO操作，作业调度器会从这一批作业中，选择若干个读取到内存中，给他们分配内存空间，让他们共享 CPU和系统资源，调度某个作业拥有 CPU 控制权可以执行，当发生硬件中断，例如IO完成、时钟中断之类的，或者软件中断，系统调用、异常中断等，操作系统就会保存现场，切换到中断程序，然后调度另一个作业。从而大幅度提高 CPU 的利用率，宏观上看是多个作业并行，微观上还是串行执行。

🤯：虽然多道作业并发执行，但是如果某个作业很耗时，或者陷入死循环，如何得到对应的结果

🤖：我 CPU 处理程序，就是认真处理，你不主动问我，我为啥告诉你？

😎：那我就让你共享给大家一起用（分时技术），不要运输员传输了，程序员直接跟你交互 （人机交互）

• 分时系统时期

『分时系统时期』，引入『分时技术』，把 CPU运行时间，分成很小的时间片，采用时间片轮转的抢占调度策略，分配给各个用户/任务使用。如果某个任务在时间片内无法完成，就会由操作系统暂停运行，把 CPU 让给其他的作业。这允许了多个终端用户同时使用一台计算机，并且可以进行『人机交互』，大大提高交互的友好型，好像共享了同一台计算机。另外调度策略除了 『时间片轮询调度』 ，还有 『最高优先级队列调度』，按照进程的优先级来执行，以及还有 『多级反馈队列调度』，就是优先级高的时间片越短，优先级低的时间片可以多分配一些。

• 多线程出现

『线程』的出现，CPU 调度也选择粒度更小的线程来执行任务，CPU 在多个线程来回切换，多个线程共享了进程内存资源，但是也有自己的寄存器和栈来进行保存上下文信息。多线程下，任务分工也明确了，进程负责分配和管理系统资源，线程进行 CPU 调度运算，以这样的方式来完成 『抢占式』 的多任务。

🤯：虽然多线程有了，但是 CPU 还是单个，同一时刻还是单线程再跑，还能咋优化一下

🤖：我天天忙个不停，你又要折腾我了 ☠

😎：如何让 CPU 分割一下？

• 超线程出现

『超线程』是 Intel 推出的一项技术，它可以让单个物理处理器核心模拟成两个逻辑核心，而逻辑CPU在操作系统上感知和物理CPU是一样的，从而提高处理器的 『并行』 处理能力。

🤯：超线程让 CPU 一个变俩，障眼法而已，也就是两个任务并行，后期可以多核吗

🤖：终于想通了，把我串起来，多核不就好了

😎：随着半导体技术的发展，『多核处理器』 也来了 ，可以把 多个CPU 核心 集成到单个集成电路芯片中，真不错

• 协程的出现

早期协程的出现还没有线程，主要思想是控制流的主动让出和恢复机制。后来有了线程，出现了内核态线程和用户态线程的说法。 进程和线程都是操作系统层面的概念，切换成本都比较高，用户态线程切换代价比内核态线程小，此时协程更多被理解为用户态线程，成为了轻量级的多任务并发模型。于是在后来的编程语言如 Lua、Python、Javascript、Go、Kotlin、PHP、Java、C++ 、Rust 都有类似的协程的语法糖实现。

主流编程语言的协程方案

• PHP
  • yield / fiber
• Go
  • goroutine
• C++
  • co_yield / co_await / co_return
• Javascript/NodeJs
  • yield / async / await / Promise
• Python
  • yield / async / await

0x2. 🎡 协程的好处

• 协程的本质是优化 IO 密集型下的 CPU 利用率

协程的本质，是控制流的主动让出和恢复机制； 你猜为什么要让出控制流，那肯定是当某个协程用不到 CPU 了，此时他主动让出，是不是就能让别的协程获取；

协程的性能，最主要的是体现在 IO 上；通常是需要 IO 操作，会进行阻塞，也就是我们常说的 IO 密集型，此时协程主动让出，让其他协程利用 CPU；

• 协程往往和异步IO结合起来

协程是轻量级用户态线程，调度是非抢占式的，需要当前协程主动切换到其他协程。通常来说协程框架都是 1:N ，也就是一个线程对应多个协程，协程池里面会有一个调度器，当某个协程说我被阻塞了，就会告知调度器去寻找最需要 CPU 的协程完成执行。

但但但是你要知道 Linux 看到的就是线程，它并不知道协程。所以说此时协程内部发生 IO 阻塞，会导致线程挂起，因为也无法切换成其他协程执行。所以通常 协程要配合非阻塞 IO，来确保线程不会因为协程阻塞而导致挂起。所以所以，协程框架要做的就是这个事情，封装一层，或者是 Hook 一层，让原本看似阻塞 IO 的操作变成异步 IO 的操作。

0x3. 🐘 PHP 的原生协程发展

大概历史如下：

• 2012-06-05 PHP5 引入生成器 Generator ，利用 yield 语法糖优化生成器，只要包含 yield 关键字的函数返回的都是 Generator
• 2015-02-18 PHP7 引入生成器返回表达式 ， Generator 类，提供 getReturn() 方法获取迭代后的返回值
• 2015-03-01 PHP7 引入生成器委托 ，利用 yield from 语法糖减少嵌套生成器函数的编写，使生成器函数的逻辑更清晰和可读
• 2021-03-08 PHP8 引入纤程 fiber，内置 Fiber 、ReflectionFiber 类，允许在任何点将异步代码执行无缝集成到同步代码中

大概理解：

• yield 来解决生成器的实现
• 生成器对于迭代和协作多任务处理来说无疑是有用
• 生成器函数的定义特征是它们支持暂停执行以便稍后恢复。此功能为应用程序提供了一种实现异步和并发架构的机制
• PHP 单线程语言通过简单的用户态任务调度系统，交错生成器成为并发处理任务的轻量级执行线程
• fiber 可以视为 yield 的改进, 是对 PHP 原生异步功能的一个很好的补充，从无到有
• fiber 更关注 reactphp/amphp 这类异步框架的 API 统一，说白了就是给框架开发人员用的

0x4. 👻 PHP 为什么引入协程

众所周知 PHP 的线程方案基本没有应用生产环境，大多数还是多进程 php-fpm 的解决方案，当然官方也是推崇这个，至于基于 php-cli 的应用架构，这里暂且先不说。

• 引入 yield ，开始只是因为生成器

PHP 一开始其实就参考了 Python 的 yield 用法，利用生成器来实现一种简单的迭代器，虽然有现成的 Iterator 迭代器接口，但是你要用吧，就需要自己实现一个类，所以 Generator 的产生，也是提供了一个简单的模板，并且用 yield 语法糖就能轻松创建一个 生成器类，（注意Generator 并不能手动 new 来实例化）。 提出这个需求的作者，也是希望可以帮忙解决一个测试需求，需要把一堆文件全部加载到内存中，然后再去依次遍历，所以就引出了生成器的语法糖。

• 引入 yield from ，带来了 有栈协程

包含 yield 的函数就是一个 Generator ，但无法简单地互相嵌套组合，或者自己利用栈来存储，封装一层。好在后期也出现了 yield from，毕竟编程语言层面出现的语法糖，往往效率也比较高，比较好用。

就类似，Func() 里面有多个 func1() ，func2() yield 函数，组合成一个大的 Generator，由 PHP 负责进行调度, 不用再自己维护调度栈。 每一个 yield from 会自动调用 Generator 的 getReturn() 方法作为返回值。

• PHP 没有多线程加锁的问题，协程也不用加锁

利用 yield 的协程，往往也都是单进程单线程内的，多个协程进行调度执行。

• PHP 下的原生协程，也无法利用多核的特点

相比之下 go 下的goroutine，M:N 的协程解决方案确实是厉害。

• PHP 引入的 fiber ，确实带来了一些希望

fiber 可以起到控制协程暂停和恢复、双向通信的作用，完全可以替代 yield 。相对于 yield 构造的 Generator , fiber 则是提供更高性能的方案，由 c 大佬出马，保存协程的状态和协程的调度执行，这样协程之间切换非常轻量级，看官方说改变大约 20 个指针的值。

• PHP fiber 有希望，但不多

fiber 必须结合异步 IO、事件循环，来防止阻塞代码影响到整个进程，这让一开始就习惯用 PHP 做同步开发的来说，确实不习惯，而且PHP 下大部分的函数都是同步阻塞函数，如果在协程内使用了某个阻塞函数，则会导致这个线程陷入阻塞。

• PHP 第三方类库 ReactPHP / AmPHP ， 异步 + 协程才能发挥出性能

ReactPHP 参考了 JS 的 Promise, 貌似也是要试图把一些操作全部替换成异步承诺，另外依靠底层的扩展如 libevent ，也有 php 兜底的 stream_select 实现 IO 多路复用。

• 另外 Swoole 4.0 称自己为协程框架 ，走的一条特别的路线

Swoole 底层基于 C/C++ 的 PHP 扩展，那就需要自己实现调度器，自己保存自己协程栈，协程上下文用于切换，另外是采用 Hook 原生 PHP 函数，让原来的同步 IO 的代码变成可以协程调度的异步 IO 。 所以后面的 fiber , Swoole 也用不上，反而是像 reactphp/amphp 这样的基于事件循环框架可以朝 fiber 这个方向发展异步协程 。

0x5. 🐱‍🏍 所以 PHP 的协程之路有啥方向和前景吗？

大概看了一下 PHP 下的原生协程，怎么说，不痛不痒。可能 yield 生成器，在处理大内存量数据的时候，使用迭代器来解决也不错。但是新的这个 fiber ，目前也没有在生产中使用到。看了一圈发现确实 Go 的原生 goroutine 确实屌，算是并行运行的有栈协程，也能用到多核。如果本身项目就是 Swoole，也可以用 Swoole\Coroutine\run()，来玩一玩协程。 NodeJs 下的协程是因为 JS 单线程，天生支持异步得以发展起来。C++20 也紧跟潮流出了 co_yield 。话说回来，PHP的原生协程，将来会如何发展呢， PHP8 新的理念，都出的差不多了，啥时候规划 PHP9。