PHP 读写共享内存实践

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令人悲伤的起因

PHP 语言封装了大量易用的高级 API，开发人员可以基于这些 API 快速构建应用，所以一般很少会去关心内存分配、信号量操作等底层细节。

然而，在维护的一个 PHP 老系统的扩展出了点小问题，在扩展层面的各种尝试无果之后，我不得不另辟蹊径，用 PHP 搞起了共享内存和信号量。

所以，有了这篇文章，记录下 PHP 读写共享内存的一些关键步骤和注意事项，以后也许还用得上。

一些基本概念

相信大家面试的时候，应该会经常被问到「进程通信的方式有哪些」这个问题。背题背得好的都会答到共享内存、信号量这两个，但在实际工作中，使用高级编程语言或者是面向业务编程时，估计很少会接触到。

共享内存

共享内存指在多处理器的计算机系统中，可以被不同中央处理器访问的大容量内存

—— 维基百科

共享内存的存在，使两个不相关的进程可以访问同一块内存，进行高效的进程通信。在 Linux 系统下，可以通过 ipcs -m 查看系统中存在的共享内存。

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[root@nas ~]# ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status

共享内存被普遍认为是进程间通信方式中，最高效的一种（没有之一）。有博主对比过 memcache、文件、共享内存，读写 10 万次 1K 数据的耗时，详见下表。

读（单位：s） 写（单位：s）
memcache 7.8 8.11
file 2.6 3.2
shm 0.1 0.07

虽然共享内存是进程间通信效率最高的方式，然而由于未提供同步机制，在多进程同时读写同一个内存块时，会发生意料之外的状况。

举个例子，如果你希望使用共享内存记录网站浏览次数，由于 php-fpm 是多进程的工作模式，在高并发场景下，多个进程同时取到了同样的浏览次数值，加一之后再先后写入共享内存，就会导致浏览次数记录不准确。

信号量

信号量（英语：semaphore）又称为信号标，是一个同步对象，用于保持在 0 至指定最大值之间的一个计数值。

—— 维基百科

可以把信号量理解为一个系统层面的计数器，创建计数器时设定了一个最大值。获取信号量时，计数器值减一，释放信号量时，计数器加一。当计数器值为零时，不可再获取。

还是上一节提到的「网站浏览次数」的例子，先创建一个最大值为 1 的信号量，进程需要先获取这个信号量，才可以对读写共享内存，则可以保证记录的正确性。

PHP 共享内存和信号量

共享内存

PHP 中对共享内存段的操作有两组函数：System V IPC 和 Shared Memory。其中，System V IPC 系列函数能够更方便的操作数据，无需像 Shared Memory 那样必须自己掌握读写时的偏移量、长度等，也不用序列化/反序列化来回转换。

但是 System V IPC 系列不支持Windows，所以如果要在 Windows 环境下使用，只能选 Shared Memory。在某些场景下，如果还有其它语言编写的程序需要读写同一段共享内存，为了保证格式统一，则只能使用 Shared Memory。

PHP 默认不支持这两组函数，需要在编译 PHP 时分别加上 –enable-sysvshm 和 –enable-shmop。

信号量

在编译 PHP 时，加上 –enable-sysvsem 可以使用信号量操作的函数。

PHP 示例代码

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// 创建 System V IPC key
$semKey = ftok(php_ini_loaded_file(), 'x');
// 获取用于访问信号量的 ID
$semId = sem_get($semKey);

// 创建或者打开共享内存（4 字节大小）
$shmId = shmop_open('0x00000001', 'c', 0666, 4);
if ($shmId) {
    return;
}

// 获取锁
sem_acquire($semId);

// 读取共享内存
$rawData = shmop_read($shmId, 0, 4);
$arrayData = unpack('L*', $rawData);
var_dump($arrayData);

// 写入内容
$val = array_values($arrayData)[0] + 1;
$packedStr = pack('L*', $val);
shmop_write($shmId, $packedStr, 0);

// 释放锁
sem_release($semId);