浅谈 Node.js 和 PHP 进程管理

众所周知，PHP 占据了服务端编程语言的半壁江山，正如汪峰在音乐圈的地位一般。随着 Node.js 逐渐走上服务端编程的舞台，关于 PHP 和 Node.js 孰优孰劣的争论也不曾间断。

垄断性的市场份额足以佐证 PHP 的优秀。并且 HHVM 虚拟机、PHP 7 的革新，也给 PHP 带来了跨越式的性能突破。然而，当我们为语言层面的性能差异喋喋不休时，却往往忽略了 Web 模型在性能表现中的权重。

从 CGI 到 FastCGI
早期的 Web 服务，是基于传统的 CGI 协议实现的。每个发送到服务器的请求，都需要经过启动进程、处理请求、结束进程三个步骤，以至于访问量增大时，系统资源（如内存、CPU 等）开销也巨大，导致服务器性能下降甚至服务中断。

图 1：简单的 CGI 流程示意

在 CGI 协议下，解析器的反复加载是性能低下的主要原因。如果让解析器进程长驻内存，那么它只需启动一次，就可以一直执行着，不必每次都重新 fork 进程，这就有了后来的 FastCGI 协议。

如果 FastCGI 仅仅做到这样，那么和 Node.js 单进程单线程的模型是基本一致的：Node.js 进程启动后保持持续运行，所有的请求都由这个进程接收和处理，当某个请求引起未知错误时，才可能致使进程退出。

事实上 FastCGI 并没有那么简单，为了保证服务的稳定性，他被设计成了多进程调度的模式：

图 2：Nginx + FastCGI 执行过程

这个过程同样可以描述为三个步骤：

首先，初始化 FastCGI 进程管理器，并启动多个 CGI 解释器子进程；
接着，当请求到达 Web 服务器时，进程管理器选择并连接一个子进程，将环境变量和标准输入发送给它，处理完成后将标准输出和错误信息返还给 Web 服务器；
最终，子进程关闭连接，继续等待下一个请求的到来；
从 child_process 到 cluster
我们回过头来看看 Node.js 的进程管理方式。

原生 Node.js 的单进程单线程模型是一个极易被喷的槽点。这种机制也决定了 Node.js 天生只支持单核 CPU，无法有效地利用多核资源，一旦进程崩溃，还会导致整个 Web 服务的土崩瓦解。

图 3：简单的 Node.js 的请求模型

和 CGI 一样，单一进程始终面临着可靠性低、稳定性差的问题，当真正服务于生产环境时，这样的弱点相当致命。如果代码本身足够健壮，倒可以在一定程度上避免出错，但同时也对测试工作提出了更高要求。现实中我们无法避免代码 100% 不出纰漏，有些东西容易编写测试用例，有些东西却只能依靠人肉目测。

所幸 Node.js 提供了 child_process 模块，通过简单 fork 即可随意创建出子进程。如果为每个 CPU 分别指派一个子进程，多核利用就完美实现了。于此同时，由于child_process 模块本身继承自 EventEmitter 这个基础类，事件驱动使得进程间的通信非常高效。

图 4：简单的 Node.js master-worker 模型（扒的淘杰老湿的图）

为了简化庞杂的父子进程模型实现，Node.js 紧接着又封装了 cluster 模块，不论是负载均衡、资源回收，还是进程守护，它都会像保姆一样帮你默默地搞定一切。具体技术细节可以参考淘杰老湿的《当我们谈论 cluster 时我们在谈论什么(上)》和《当我们谈论 cluster 时我们在谈论什么(下)》，里面有所有关于 cluster 方案的推演和实现，这里不再赘述。

在 Node.js 里，要让应用跑在多核集群上，只需寥寥几行代码就万事大吉了：

var cluster = require('cluster');
var os = require('os');

if (cluster.isMaster) {

for (var i = 0, n = os.cpus().length; i < n; i ++) {
    cluster.fork();
}

} else {

// 启动应用...

}

那么反观 FastCGI 协议，它又是如何处理这种模型的呢？

PHP-FPM 的天生缺陷
PHP-FPM 是 PHP 针对 FastCGI 协议的具体实现，也是 PHP 在多种服务器端应用编程端口（SAPI：cgi、fast-cgi、cli、isapi、apache）里使用最普遍、性能最佳的一款进程管理器。它同样实现了类似 Node.js 的父子进程管理模型，确保了 Web 服务的可靠性和高性能。

PHP-FPM 这种模型是非常典型的多进程同步模型，意味着一个请求对应一个进程线程，并且 IO 是同步阻塞的。所以尽管 PHP-FPM 维护着独立的 CGI 进程池、系统也可以很轻松的管理进程的生命周期，但注定无法像 Node.js 那样，一个进程就可以承担巨大的请求压力。

受制于服务器的硬件设施，PHP-FPM 需要指定合理的 php-fpm.conf 配置：

pm.max_children # 子进程最大数
pm.start_servers # 启动时的子进程数
pm.min_spare_servers # 最小空闲进程数，空闲进程不够时自动补充
pm.max_spare_servers # 最大空闲进程数，空闲进程超过时自动清理
pm.max_requests = 1000 # 子进程请求数阈值，超过后自动回收

和 JS 不一样的是，PHP 进程本身并不存在内存泄露的问题，每个进程完成请求处理后会回收内存，但是并不会释放给操作系统，这就导致大量内存被 PHP-FPM 占用而无法释放，请求量升高时性能骤降。

所以 PHP-FPM 需要控制单个子进程请求次数的阈值。很多人会误以为 max_requests 控制了进程的并发连接数，实际上 PHP-FPM 模式下的进程是单一线程的，请求无法并发。这个参数的真正意义是提供请求计数器的功能，超过阈值数目后自动回收，缓解内存压力。

或许你已经发现了问题的关键：尽管 PHP-FPM 架构卓越，但还是卡在单一进程的性能上了。

Node.js 天生没有这个问题，而 PHP-FPM 却无法保证，它的稳定性受制于硬件设施和配置文件的契合度，以及 Web 服务器（通常是 Nginx）对 PHP-FPM 服务的负载调度能力。

ReactPHP，事件驱动，异步执行，非阻塞 IO
对 PHP 7 的狂热掩盖了 Node.js 带来的猛烈冲击。当大家还沉醉在如何选择 HHVM 还是 PHP 7 的时候，ReactPHP 也在茁壮成长，它彻彻底底抛弃了 nginx + php-fpm 的传统架构，转而模仿并接纳了 Node.js 的事件驱动和非阻塞 IO 模型，甚至连副标题，都起得一毛一样：

Event-driven, non-blocking I/O with PHP.

鉴于大家都比较了解 Node.js，对 ReactPHP 的原理就不再赘述了，我们可以认为它就是个 PHP 版的 Node.js。拿它和传统架构（Nginx + PHP-FPM，公平起见，PHP-FPM 只开一个进程）去做对比，结果是这样的：

图 5：输出“Hello World”时的 QPS 曲线

图 6：查询 SQL 时的 QPS 曲线

我们可以看到，当事件驱动、异步执行、非阻塞 IO 被移植嫁接到 PHP 上后，即便没了 PHP-FPM 支撑，QPS 曲线依然不错，在 IO 密集型的场景下，性能甚至得到了成倍成倍的提升。

事件和异步回调机制真是太赞了，它巧妙地将大规模并发、大吞吐量时的拥堵化解为一个异步事件队列，然后挨个解决阻塞（如文件读取，数据库查询等）。

针对单进程模型的吐槽，或许有些偏激。不过显而易见的事实是，单进程模型的可靠性，在 Web 服务器和进程管理器层面是有很大的优化空间的，而高并发的处理能力取决于语言特性，说白了就是事件和异步的支持。

这两点想必是让 Node.js 天生骄傲的事情，但在 PHP 里没有得到原生支持，只能通过模拟步进操作的方式来支持类似 Node.js 的事件机制，所以 ReactPHP 其实也并没有想象中那么完美。

结束语
大部分时候，当我们比较语言优劣，容易局限在语言本身，而忽视了配套的一些关键因素。

就拿 PHP 来说，这两年听到了太多关于即时编译器（JIT）、opcode 缓存、抽象语法树（AST）、HHVM 等等之类的话题。当这些优化逐步完备，语言层面的问题，早已不再是 Web 性能的短板了。如果实在不行，我们还可以把复杂任务交给 C 和 C++，以 Node.js addon 或者 PHP 扩展的形式，轻轻松松就搞定了。

都说 PHP 是“世界上最好的语言”，既然如此，也是时候学习下 Node.js 事件驱动和异步回调，考虑考虑如何对 PHP-FPM 进行大刀阔斧的革新。毕竟不管是 Node.js 还是 PHP，我们所擅长的地方，终将还是 Web，高性能的 Web。

相关资料
FastCGI Process Manager (FPM)
ReactPHP - Event-driven, non-blocking I/O with PHP.
ReactPHP - PHP 版的 Node.js
当我们谈论 cluster 时我们在谈论什么(上)
当我们谈论 cluster 时我们在谈论什么(下)