PHP: 使用FastCGI协议打造高性能网站服务
之前我写了一篇文章【 PHP: 深入pack/unpack 】介绍了如何在PHP中进行TCP打包和解包，以及通过分离数据层来实现可扩展和性能的提升。但是有时候性能不是衡量的唯一标准，通常需要兼顾性能和开发效率。您可能会说基于HTTP接口的开发效率不错。是的，基于HTTP协议的开发效率很高，而且它适合各种网络环境。但是由于HTTP协议需要发送大量的头部，所以导致性能不是很理想。那么有没有一种比HTTP协议性能好并且比基于TCP接口的开发效率高的解决方案呢？答案是肯定的，就是本文接下来要介绍的基于FastCGI的接口开发。
CGI是什么
CGI 意思为 Common Gateway Interface(公共网关接口)，它是一种规范，一种基于浏览器的输入、在Web服务器上运行的程序方法。
FastCGI是什么
FastCGI是对CGI的开放的扩展，它为所有因特网应用提供高性能。
为什么是FastCGI
大家都知道，PHP的解释器是php-cgi。php-cgi只是个CGI程序，他自己本身只能解析请求，返回结果，不会进程管理，所以就出现了一些能够调度php-cgi进程的程序，比如说由lighthttpd分离出来的spawn-fcgi。PHP-FPM也是类似的程序，在长时间的发展后，逐渐得到了大家的认可，也越来越流行。最开始的时候PHP-FPM没有包含在PHP内核里面，要使用这个功能，需要找到与源码版本相同的PHP-FPM对内核打补丁，然后再编译。后来PHP内核集成了PHP-FPM之后就方便多了。
那么CGI程序的性能问题在哪呢？PHP解析器每次都会解析php.ini文件，初始化执行环境。标准的CGI对每个请求都会执行这些步骤，所以处理每个时间的时间会比较长。那么FastCGI是怎么做的呢？首先，FastCGI会先启一个master，解析配置文件，初始化执行环境，然后再启动多个worker。当请求过来时，master会传递给一个worker，然后立即可以接受下一个请求。这样就避免了重复的劳动，效率自然是高。而且当worker不够用时，master可以根据配置预先启动几个worker等着；当然空闲worker太多时，也会停掉一些，这样就提高了性能，也节约了资源。这就是FastCGI的对进程的管理。
FastCGI协议规范
英文版: FastCGI Specification ，中文版: http://www.itcoder.me/?p=235 。本文不打算概括FastCGI的全貌，只是针对需求实现通过POST提交数据到接口。
首先以一张图来大概了解流程：
图片来自 ITCoder
上图中的webserver称为web服务器，php称为应用。对应我们目前的需求来说，webserver就是client，php就是FastCGI管理进程。本文通篇使用web服务器和应用来描述。
请求由FCGI_BEGIN_REQUEST开始，FCGI_PARAMS表示需要传递环境变量(PHP中的$_SERVER数组就是通过FCGI_PARAMS来传递的，当然您还可以附加自定义的数据)。FCGI_STDIN表示一个输入的开始，比如您需要POST过去的数据。FCGI_STDOUT和FCGI_STDERR标识应用开始响应。FCGI_END_REQUEST表示一次请求的完成，由应用发送。
FastCGI是基于流的协议，并且是8字节对齐，因此不需要考虑字节序，但是要考虑填充。FastCGI的包头是固定的8字节，不同的请求有不同的包体结构。包头和包体组成一个Record(记录)。具体请参考协议规范。下面是Record结构：
typedef struct {
unsigned char version;
unsigned char type;
unsigned char requestIdB1;
unsigned char requestIdB0;
unsigned char contentLengthB1;
unsigned char contentLengthB0;
unsigned char paddingLength;
unsigned char reserved;
unsigned char contentData[contentLength];
unsigned char paddingData[paddingLength];
} FCGI_Record;
对此 ，我们可以独立出包头，再结合各种不同的包体，即实现了Record包。但是要注意的是填充和多字节的实现。尤其是在发送名值对参数时有不同的组合方式，需要仔细处理。
先来定义常量。这些常量都是FastCGI规范定义好的。
define('FCGI_VERSION_1', 1);
define('FCGI_BEGIN_REQUEST', 1);
define('FCGI_RESPONDER', 1);
define('FCGI_END_REQUEST', 3);
define('FCGI_PARAMS', 4);
define('FCGI_STDIN', 5);
define('FCGI_STDOUT', 6);
define('FCGI_STDERR', 7);
function getHeader($type, $requestId, $contentLength, $paddingLength, $reserved=0)
{
return pack("C2n2C2", FCGI_VERSION_1, $type, $requestId, $contentLength, $paddingLength, $reserved);
}
填充的计算通过取模就可以了。对于用多个字符来表示单个字符，请进行移位操作，并且起始字节最高位为1。显然如果nameLen或nameValue大于0x7f，则需要4个字节来表示。这里有一个简单的实现：
function getNameValue($name, $value)
{
$nameLen = strlen($name);
$valueLen = strlen($value);
$bin = '';
// 如果大于127，则需要4个字节来存储，下面的$valueLen也需要如此计算
if ($nameLen > 0x7f)
{
// 将$nameLen变成4个无符号字节
$b0 = $nameLen << 24;
$b1 = ($nameLen << 16) >> 8;
$b2 = ($nameLen << 8) >> 16;
$b3 = $nameLen >> 24;
// 将最高位置1，表示采用4个无符号字节表示
$b3 = $b3 | 0x80;
$bin = pack("C4", $b3, $b2, $b1, $b0);
}
else
{
$bin = pack("C", $nameLen);
}
if ($valueLen > 0x7f)
{
// 将$nameLen变成4个无符号字节
$b0 = $valueLen << 24;
$b1 = ($valueLen << 16) >> 8;
$b2 = ($valueLen << 8) >> 16;
$b3 = $valueLen >> 24;
// 将最高位置1，表示采用4个无符号字节表示
$b3 = $b3 | 0x80;
$bin .= pack("C4", $b3, $b2, $b1, $b0);
}
else
{
$bin .= pack("C", $valueLen);
}
$bin .= pack("a{$nameLen}a{$valueLen}", $name, $value);
return $bin;
}
将包头和包体组成Record进行传递，比如：
$env = array(
'SCRIPT_FILENAME' => FCGI_SCRIPT_FILENAME,
'REQUEST_METHOD' => FCGI_REQUEST_METHOD,
'CONTENT_TYPE' => 'application/x-www-form-urlencoded',
);
foreach ($env as $key=>$value)
{
$body = getNameValue($key, $value);
$paddingLength = getPaddingLength($body);
$header = getHeader(FCGI_PARAMS, FCGI_REQUEST_ID, strlen($body), $paddingLength, 0);
$record = $header . $body . getPaddingData($paddingLength);
socket_write($sock, $record);
}
web服务器由STDIN包来结束输入。如果需要使STDIN来传递数据，则仍需要额外发送一个空包体的STDIN包来结束这次请求。之后等待应用返回，具体请参考协议规范关于type的说明。还有一些要说明的事情就是关于对应用的配置使用FCGI_PARAMS来传递，相当于nginx的fastcgi_params配置文件的内容，具体如下：
最后web服务器解析应用返回的响应。github上有一个比较好的实现，大家可以去研究一下。有问题可以一起探讨，PHP-FastCGI-Client 。我这里大概实现了一部分，为了更接近FastCGI协议的流程，代码未作任何优化，也未作任何错误处理：
<?php
define('FCGI_HOST', '127.0.0.1');
define('FCGI_PORT', 9000);
define('FCGI_SCRIPT_FILENAME', '/home/goal/fcgiclient/www/test.php');
define('FCGI_REQUEST_METHOD', 'POST');
define('FCGI_REQUEST_ID', 1);
define('FCGI_VERSION_1', 1);
define('FCGI_BEGIN_REQUEST', 1);
define('FCGI_RESPONDER', 1);
define('FCGI_END_REQUEST', 3);
define('FCGI_PARAMS', 4);
define('FCGI_STDIN', 5);
define('FCGI_STDOUT', 6);
define('FCGI_STDERR', 7);
function getBeginRequestBody()
{
return pack("nC6", FCGI_RESPONDER, 0, 0, 0, 0, 0, 0);
}
function getHeader($type, $requestId, $contentLength, $paddingLength, $reserved=0)
{
return pack("C2n2C2", FCGI_VERSION_1, $type, $requestId, $contentLength, $paddingLength, $reserved);
}
function getPaddingLength($body)
{
$left = strlen($body) % 8;
if ($left == 0)
{
return 0;
}
return (8 - $left);
}
function getPaddingData($paddingLength=0)
{
if ($paddingLength <= 0)
{
return '';
}
$paddingArray = array_fill(0, $paddingLength, 0);
return call_user_func_array("pack", array_merge(array("C{$paddingLength}"), $paddingArray));
}
function getNameValue($name, $value)
{
$nameLen = strlen($name);
$valueLen = strlen($value);
$bin = '';
// 如果大于127，则需要4个字节来存储，下面的$valueLen也需要如此计算
if ($nameLen > 0x7f)
{
// 将$nameLen变成4个无符号字节
$b0 = $nameLen << 24;
$b1 = ($nameLen << 16) >> 8;
$b2 = ($nameLen << 8) >> 16;
$b3 = $nameLen >> 24;
// 将最高位置1，表示采用4个无符号字节表示
$b3 = $b3 | 0x80;
$bin = pack("C4", $b3, $b2, $b1, $b0);
}
else
{
$bin = pack("C", $nameLen);
}
if ($valueLen > 0x7f)
{
// 将$nameLen变成4个无符号字节
$b0 = $valueLen << 24;
$b1 = ($valueLen << 16) >> 8;
$b2 = ($valueLen << 8) >> 16;
$b3 = $valueLen >> 24;
// 将最高位置1，表示采用4个无符号字节表示
$b3 = $b3 | 0x80;
$bin .= pack("C4", $b3, $b2, $b1, $b0);
}
else
{
$bin .= pack("C", $valueLen);
}
$bin .= pack("a{$nameLen}a{$valueLen}", $name, $value);
return $bin;
}
$sock = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
socket_connect($sock, FCGI_HOST, FCGI_PORT);
$body = getBeginRequestBody();
$paddingLength = getPaddingLength($body);
$header = getHeader(FCGI_BEGIN_REQUEST, FCGI_REQUEST_ID, strlen($body), $paddingLength, 0);
$record = $header . $body . getPaddingData($paddingLength);
socket_write($sock, $record);
$env = array(
'SCRIPT_FILENAME' => FCGI_SCRIPT_FILENAME,
'REQUEST_METHOD' => FCGI_REQUEST_METHOD,
'CONTENT_TYPE' => 'application/x-www-form-urlencoded',
);
foreach ($env as $key=>$value)
{
$body = getNameValue($key, $value);
$paddingLength = getPaddingLength($body);
$header = getHeader(FCGI_PARAMS, FCGI_REQUEST_ID, strlen($body), $paddingLength, 0);
$record = $header . $body . getPaddingData($paddingLength);
socket_write($sock, $record);
}
$body = "";
$paddingLength = getPaddingLength($body);
$header = getHeader(FCGI_STDIN, FCGI_REQUEST_ID, 0, $paddingLength, 0);
$record = $header . $body . getPaddingData($paddingLength);
socket_write($sock, $record);
$body = "";
$paddingLength = getPaddingLength($body);
$header = getHeader(FCGI_STDIN, FCGI_REQUEST_ID, 0, $paddingLength, 0);
$record = $header . $body . getPaddingData($paddingLength);
socket_write($sock, $record);
$header = socket_read($sock, 8);
$header = unpack("Cversion/Ctype/nrequestId/ncontentLength/CpaddingLength/Creserved", $header);
print_r($header);
socket_close($sock);