这篇文章转载自好未来学而思技术团队，分享老师：李乐,本文基于Swoole-4.3.2和PHP-7.1.0版本

Swoole协程简介

Swoole4为PHP语言提供了强大的CSP协程编程模式，用户可以通过go函数创建一个协程，以达到并发执行的效果，如下面代码所示：

//Co::sleep() 是 Swoole 提供的 API，并不会阻塞当前进程，只会阻塞协程触发协程切换
go(function() {
    Co::sleep(1);
    echo "a";
});

go(function() {
    Co::sleep(2);
    echo "b";
});

echo "c";

//输出结果:cab
//程序总执行时间 2 秒

其实在Swoole4之前就实现了多协程编程模式，在协程创建、切换以及结束的时候，相应的操作php栈即可（创建、切换以及回收php栈）。

此时的协程实现无法完美的支持php语法，其根本原因在于没有保存c栈信息。（vm内部或者某些扩展提供的API是通过c函数实现的，调用这些函数时如果发生协程切换，c栈该如何处理？）

Swoole4新增了c栈的管理，在协程创建、切换以及结束的同时会伴随着c栈的创建、切换以及回收。

Swoole4协程实现方案如下图所示：

其中：

• API层是提供给用户使用的协程相关函数，比如go()函数用于创建协程；Co::yield()使得当前协程让出CPU；Co::resume()可恢复某个协程执行；
• Swoole4协程需要同时管理c栈与php栈，Coroutine用于管理c栈，PHPCoroutine用于管理php栈；其中Coroutine()，yield()，resume()实现了c栈的创建以及换入换出；create_func()，on_yield()，on_resume()实现了php栈的创建以及换入换出；
• Swoole4在管理c栈时，用到了boost.context库，make_fcontext()和jump_fcontext()函数均使用汇编语言编写，实现了c栈上下文的创建以及切换；
• Swoole4对boost.context进行了简单封装，即Context层，Context()，SwapIn()以及SwapOut()对应c栈的创建以及换入换出。

深入理解C栈

函数是对代码的封装，对外暴露的只是一组指定的参数和一个可选的返回值；假设函数P调用函数Q，Q执行后返回函数P，实现该函数调用需要考虑以下三点：

• 指令跳转：进入函数Q的时候，程序计数器必须被设置为Q的代码的起始地址；在返回时，程序计数器需要设置为P中调用Q后面那条指令的地址；
• 数据传递：P能够向Q提供一个或多个参数，Q能够向P返回一个值；
• 内存分配与释放：Q开始执行时，可能需要为局部变量分配内存空间，而在返回前，又需要释放这些内存空间；

大多数语言的函数调用都采用了栈结构实现，函数的调用与返回即对应的是一系列的入栈与出栈操作，我们通常称之为函数栈帧（stack frame）。示意图如下：

上面提到的程序计数器即寄存器%rip，另外还有两个寄存器需要重点关注：%rbp指向栈帧底部，%rsp指向栈帧顶部。

下面将通过具体的代码事例，为读者讲解函数栈帧。c代码与汇编代码如下：

分析汇编代码：

• main函数与add函数入口，首先将寄存器%rbp压入栈中用于保存其值，其次移动%rbp指向当前栈顶部（此时%rbp，%rsp都指向栈顶，开始新的函数栈帧）；
• main函数"subq $16, %rsp"，是为main函数栈帧预留16个字节的内存空间；
• 调用add函数时，第一个参数和第二个参数分别保存在寄存器%edi和%esi，返回值保存在寄存器%eax；
• call指令用于函数调用，实现了两个功能：寄存器%rip压入栈中，跳转到新的代码位置；
• ret指令用于函数返回，弹出栈顶内容到寄存器%rip，依次实现代码跳转；
• leave指令等同于两条指令：movq %rsp,%rbp和popq %rbp，用于释放main函数栈帧，恢复前一个函数栈帧；
• 注意add函数栈帧，并没有为其预留空间，寄存器%rsp和%rbp都指向栈帧底部；根本原因是add函数没有调用其他函数。

该程序的栈结构示意图如下：

问题：观察上面的汇编代码，输入参数分别使用的是寄存器%edi和%esi，返回值使用的是寄存器%eax，输入输出参数不应该保存在栈上吗？寄存器比内存访问要快的多，现代处理器寄存器数目也比较多，因此倾向于将参数优先保存在寄存器。比如%rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8d, %r9d 六个寄存器用于存储函数调用时的前6个参数，那么当输入参数数目超过6个时，如何处理？这些输入参数只能存储在栈上了。
（%rdi等表示64位寄存器，%edi等表示32位寄存器）

Swoole C栈管理

通过学习c栈基本知识，我们知道最主要有三个寄存器：%rip程序计数器指向下一条需要执行的指令，%rbp指向函数栈帧底部，%rsp指向函数栈帧顶部。这三个寄存器可以确定一个c栈执行上下文，c栈的管理其实就是这些寄存器的管理。

第一节我们提到Swoole在管理c栈时，用到了boost.context库，其中make_fcontext()和jump_fcontext()函数均使用汇编语言编写，实现了c栈执行上下文的创建以及切换；函声明命如下：

fcontext_t make_fcontext(void *sp, size_t size, void (*fn)(intptr_t));
intptr_t jump_fcontext(fcontext_t *ofc, fcontext_t nfc, intptr_t vp, bool preserve_fpu = false);

make_fcontext函数用于创建一个执行上下文，其中参数sp指向内存最高地址处（在堆中分配一块内存作为该执行上下文的c栈），参数size为栈大小，参数fn是一个函数指针，指向该执行上下文的入口函数；代码主要逻辑如下：

make_fcontext函数创建的执行上下文示意图如下（可以看到预留了若干字节用于保存上下文信息）：

Swoole协程实现的Context层封装了上下文的创建，创建上下文函数实现如下：

可以看到c栈执行上下文是通过sw_malloc函数在堆上分配的一块内存，默认大小为2M字节；参数sp指向的是内存最高地址处；执行上下文的入口函数为Context::context_func()。

jump_fcontext函数用于切换c栈上下文：

1. 函数会将当前上下文（寄存器）保存在当前栈顶（push），同时将%rsp寄存器内容保存在ofc地址；
2. 函数从nfc地址处恢复%rsp寄存器内容，同时从栈顶恢复上下文信息（pop）。

代码主要逻辑如下：

观察jump_fcontext函数的汇编代码，可以看到保存上下文与恢复上下文的代码基本是对称的。恢复上下文时"popq %r8"用于弹出上一次保存的程序计数器%rip的内容，然而并没有看到保存寄存器%rip的代码。这是因为调用jump_fcontext函数时，底层call指令已经将%rip入栈了。

Swoole协程实现的Context层封装了上下文的换入换出，可以在上下文swap_ctx_和ctx_之间随时换入换出，代码实现如下：

上下文示意图如下所示：

Swoole PHP栈管理

php代码在执行时，同样存在函数栈帧的分配与回收。php将此抽象为两个结构，php栈zend_vm_stack，与执行数据（函数栈帧）zend_execute_data。

php栈结构与c栈结构基本类似，定义如下：

struct _zend_vm_stack {
    zval *top;
    zval *end;
    zend_vm_stack_prev;
}

其中top字段指向栈顶位置，end字段指向栈底位置；prev指向上一个栈，形成链表，当栈空间不够时，可以进行扩容。php虚拟机申请栈空间时默认大小为256K，Swoole创建栈空间时默认大小为8K。

执行数据结构体，我们需要重点关注这几个字段：当前函数编译后的指令集（opline指向指令集数组中的某一个元素，虚拟机只需要遍历该数组并执行所有指令即可），函数返回值，以及调用该函数的执行数据；结构定义如下：

php栈初始化函数为zend_vm_stack_init；当执行用户函数调用时，虚拟机通过函数zend_vm_stack_push_call_frame在php栈上分配新的执行数据，并执行该函数代码；函数执行完成后，释放该执行数据。代码逻辑如下：

php栈帧结构示意图如下：

Swoole协程实现，需要自己管理php栈，在发生协程创建以及切换时，对应的创建新的php栈，切换php栈，同时保存和恢复php栈上下文信息。这里涉及到一个很重要的结构体php_coro_task：

这里列出了php_coro_task结构体的若干关键字段，这些字段用于保存和恢复php上下文信息。

协程创建时，底层通过函数PHPCoroutine::create_func实现了php栈的创建：

从代码中可以看到结构php_coro_task是直接存储在php栈的底部。

当通过yield函数让出CPU时，底层会调用函数 PHPCoroutine::on_yield 切换 php 栈：

Swoole协程实现

前面我们简单介绍了Swoole协程的实现方案，以及Swoole对c栈与php栈的管理，接下来将结合前面的知识，系统性的介绍Swoole协程的实现原理。

Swoole协程数据模型

话不多说，先看一张图：

• 每个协程都需要管理自己的c栈与php栈；
• Context封装了c栈的管理操作;ctx_字段保存的是寄存器%rsp的内容（指向c栈栈顶位置）；swap_ctx_字段保存的是将被换出的协程寄存器%rsp内容（即，将被换出的协程的c栈栈顶位置）；SwapIn()对应协程换入操作；SwapOut()对应协程换出操作；
• 参考jump_fcontext实现，协程在换出时，会将寄存器%rip，%rbp等暂存在c栈栈顶；协程在换入时，相应的会从栈顶恢复这些寄存器的内容；
• Coroutine管理着协程所有内容；cid字段表示当前协程的ID；task字段指向当前协程的php_coro_task结构，该结构中保存的是当前协程的php栈信息（vm_stack_top，execute_data等）；ctx字段指向的是当前协程的Context对象；origin字段指向的是另一个协程Coroutine对象；yield()和resume()对应的是协程的换出换入操作；
• 注意到php_coro_task结构的co字段指向其对应的协程对象Coroutine；
• Coroutine还有一些静态属性，静态属性的属于类属性，所有协程共享的；last_cid字段存储的是当前最大的协程ID，创建协程时可用于生成协程ID；current字段指向的是当前正在运行的协程Coroutine对象；on_yield和on_resume是两个函数指针，用于实现php栈的切换操作，实际指向的是方法PHPCoroutine::on_yield和PHPCoroutine::on_resume；

Swoole协程创建与切换

协程创建

Swoole创建协程可以使用go()函数，底层实现对应的是PHP_FUNCTION(swoole_coroutine_create)，其函数实现如下：

• 注意Coroutine::create函数第一个参数伟create_func，该函数后续用于创建php栈，并开始协程代码的执行；
• 可以看到PHPCoroutine::create在调用Coroutine::create创建创建协程之前，保存了当前php栈信息到php_coro_task结构中。
• 注意主程序的php栈是虚拟机创建的，结构与上面画的协程php栈不同，主程序的php_coro_task结构并没有存储在php栈上，而是一个静态变量PHPCoroutine::main_task，从get_task方法可以看出，主程序中get_current_task()返回的是null，因此最后获得的php_coro_task结构是PHPCoroutine::main_task。

• 在Coroutine的构造函数中完成了协程对象Coroutine的创建与初始化，以及Context对象的创建与初始化（创建了c栈）；run()函数执行了协程的换入，从而开始协程的运行；

• 可以看到创建协程对象Coroutine时，通过last_cid来计算当前协程的ID，同时将该协程对象加入到全局map中；代码ctx(stack_size,fn, private_data)创建并初始化了Context对象；
• run()函数将该协程换入执行时，赋值origin为当前协程（主程序中current为null），同时设置current为当前协程对象Coroutine；调用SwapIn()函数完成协程的换入执行；最后如果协程执行完毕，则关闭并释放该协程对象Coroutine；
• 初始化Context对象时，可以看到其构造函数Context::Context(size_tstack_size, coroutine_func_t fn, void* private_data)，其中参数fn为协程入口函数（PHPCoroutine::create_func），可以看到其赋值给ontext对象的字段fn_，但是在创建c栈上下文时，其传入的入口函数为context_func；

• 函数context_func内部其实调用的就是方法PHPCoroutine::create_func；当协程执行结束时，会标记end字段为true，同时将该协程换出；

问题：参数arg为什么是Context对象呢，是如何传递的呢？这就涉及到jump_fcontext汇编实现，以及jump_fcontext的调用了

调用jump_fcontext函数时，第三个参数传递的是this，即当前Context对象；而函数jump_fcontext汇编实现时，将第三个参数的内容拷贝到%rdi寄存器中，当协程换入执行函数context_func时，寄存器%rdi存储的就是第一个参数，即Context对象。

方法PHPCoroutine::create_func就是创建并初始化php栈，执行协程代码；这里不做过多介绍。

问题：Coroutine的静态属性on_yield和on_resume时什么时候赋值的？

在Swoole模块初始化时，会调用函数swoole_coroutine_util_init（该函数同时声明了"Co"等短名称），该函数进一步的调用PHPCoroutine::init()方法，该方法完成了静态属性的赋值操作。

协程切换

用户可以通过Co::yield()和Co::resume()实现协程的让出和恢复，Co::yield()的底层实现函数为PHP_METHOD(swoole_coroutine_util, yield)，Co::resume()的底层实现函数为PHP_METHOD(swoole_coroutine_util, resume)。本节将为读者讲述协程切换的实现原理。

• 调用Co::resume()恢复某个协程之前，该协程必然已经调用Co::yield()让出CPU；因此在Co::yield()时，会将该协程对象添加到全局map中；Co::resume()时做相应校验，如果校验通过则恢复协程，并从map种删除该协程对象；

• co->yield()实现了协程的让出操作；

  1. 设置协程状态为SW_CORO_WAITING；
  2. 回调on_yield方法，即PHPCoroutine::on_yield，保存当前协程（task代表协程）的php栈上下文，恢复另一个协程的php栈上下文（origin代表另一个协程对象）；
  3. 设置当前协程对象为origin；
  4. 换出该协程；

• co->resume()实现了协程的恢复操作：

  1. 设置协程状态为SW_CORO_RUNNING；
  2. 回调on_resume方法，即PHPCoroutine::on_resume，保存当前协程（current协程）的php栈上下文，恢复另一个协程（task代表协程）的php栈上下文；
  3. 设置origin为当前协程对象，current为即将要换入的协程对象；
  4. 换入协程；

Swoole协程有四种状态：初始化，运行中，等待运行，运行结束；定义如下：

协程之间可以通过Coroutine对象的origin字段形成一个类似链表的结构；
Co::yield()换出当前协程时，会换入origin协程；
在A协程种调用Co::resume()恢复B协程时，会换出A协程，换入B协程，同时标记A协程为B的origin协程；

协程切换过程比较简单，这里不做过多详述。

Swoole协程调度

Swoole的协程调度是基于事件驱动的，下面将介绍socket读写事件以及sleep定时器事件触发的协程调度。

socket读写事件

Swoole的socket读写使用的成熟的IO多路复用模型：epoll/kqueue/select/poll等，并且将其封装在结构体_swReactor中，其定义如下：

在调用函数PHPCoroutine::create创建协程时，会校验是否已经初始化_swReactor对象，如果没有则会调用php_swoole_reactor_init函数创建并初始化main_reactor对象；

我们以epoll为例，main_reactor各回调函数如下：

注意：这里注册了一个函数swoole_event_wait，在生命周期register_shutdown阶段会执行该函数，开始Swoole的事件循环，阻挡了php生命周期的结束。

类Socket封装了socket读写相关的所有操作以及数据结构，其定义如下：

• socket字段类型为swConnection，代表传输层连接；
• reactor字段指向结构体swReactor对象，用于fd事件的注册、修改、删除以及wait；
• 当调用recv()函数接收数据，阻塞了该协程时，read_co字段指向该协程对象Coroutine；
• 当调用send()函数接收数据，阻塞了该协程时，write_co字段指向该协程对象Coroutine；
• 类Socket初始化函数为Socket::init_sock：

当我们调用CoroutineSocket->recv接收数据时，底层实现如下：

类timeout_setter会设置socket的接收数据超时时间read_timeout为timeout。

函数socket->recv_all会循环读取数据，直到读取到指定长度的数据，或者底层返回等待标识阻塞当前协程：

• 函数首先创建timer_controller对象，设置其超时时间为read_timeout，以及超时回调函数为timer_callback；
• while(true)死循环读取fd数据，当读取数据量等于__n时，读取操作结束，break该循环；如果读取操作swConnection_recv返回值小于0，并且错误标识为SW_WAIT，说明需要等待数据到来，此时阻塞当前协程等待数据到来（函数wait_event会换出当前协程），阻塞超时时间为read_timeout（函数timer.start()用于设置超时时间）。

函数swTimer_add用于添加一个定时器；Swoole底层定时任务是通过最小堆实现的，堆顶元素的超时时间最近；结构体_swTimer维护着Swoole内部所有的定时任务：

当调用swTimer_add向_swTimer结构中添加定时任务时，需要更新_swTimer中最早的定时任务触发时间_next_msec，同时更新main_reactor对象的超时时间：

函数wait_event负责将当前协程换出，直到注册的事件发生

• 函数add_event用于添加事件，底层调用reactor->add添加fd的监听事件；
• read_co = co或者write_co = co，用于记录当前哪个协程阻塞在该socket对象上，当该socket对象的读写事件被触发时，可以恢复该协程执行；
• 函数yield()将该协程换出；

上面提到，创建协程时，注册了一个函数swoole_event_wait，在生命周期register_shutdown阶段会执行该函数，开始Swoole的事件循环，阻挡了php生命周期的结束。函数swoole_event_wait底层就是调用main_reactor->wait等待fd读写事件的产生；我们以epoll为例讲述事件循环的逻辑：

swReactorEpoll_wait是对函数epoll_wait的封装；当有读写事件发生时，执行相应的handle，根据上面的讲解我们知道读写事件的handle分别为readable_event_callback和writable_event_callback；

可以看到函数readable_event_callback只是简单的恢复read_co协程即可；

当epoll_wait发生超时，最终调用的是函数swReactor_onTimeout，该函数会从Swoole维护的一系列定时任务swTimer中查找已经超时的定时任务，同时执行其callback回调；

该callback回调函数即为上面设置的timer_callback：

同样的，timer_callback函数只是简单的恢复read_co或者write_co协程即可

sleep定时器事件

Co::sleep()的实现函数为PHP_METHOD(swoole_coroutine_util, sleep)，该函数通过调用Coroutine::sleep实现了协程休眠的功能：

可以看到，与socket读写事件超时处理相同，sleep内部实现时通过swTimer_add添加定时任务，同时换出当前协程实现的。该定时任务会导致main_reactor对象的超时时间的改变，即修改了epoll_wait的超时时间。

sleep的超时处理函数为sleep_timeout，只需要换入该阻塞协程对象即可，实现如下：