使用PHP Socket开发Yar TCP服务

Yar支持HTTP和TCP俩种Transporter, HTTP的是基于CURL,PHP中的Yar默认就是走的HTTP Transporter, 这个大家应该都不陌生, 但是基于TCP的, 可能大家会用的少一些。

事实上,我6年前也写过一个C的Yar server框架,叫做Yar-c, 代码地址在Yar-C at Github, 它提供了服务启动,worker进程管理,Yar打包协议等。当时我们用这个框架,实现了高性能的微博白名单等服务,以供PHP端使用Yar Client来调用。

只不过,Yar C需要用C来写Handle, 可能对于不少PHPer来说,会稍微有点陌生,那今天我们尝试用PHP来写一个TCP的Server,来介绍下如何实现对Yar RPC协议的处理, 这个例子可以方便的结合Swoole等异步PHP框架,实现一个高性能的Yar TCP Server。 这个过程中, 会让大家了解Yar的RPC通信协议,以及捎带了解下Socket编程。

我们今天还是用“白名单”服务作为例子,我们提供一个接口,接受RPC客户端的请求,参数是一个用户ID,返回bool,表示是否在白名单:

function query(int $id) : bool;

首先,我们建立一个文件yar_server, 为了方便的直接执行,我们在文件写下:

#!/bin/env php7
<?php
class WhiteList {
}

然后,通过chmod a+x 给这个文件增加可执行的权限。

第一步我们需要处理服务的启动参数处理, 接受一个参数S表示要监听的IP和端口,值的格式是host:port, 我们使用PHP的getopt函数来处理命令行参数:

class WhiteList {
    protected $host;

    public function __construct() {
        $options = getOpt("S:");
        if (!isset($options["S"])) {
            $this->usage();
        }
    }

    protected function usage() {
        exit("Usage: yar_server -S hostname:port\n");
    }
}

这样,当用户启动yar_server的时候,没有指定S参数,我们就退出,并提示Usage。 我们还需要另外一个配置,就是指向一个词表文件,词表文件中每一行是一个在白名单中的用户ID, 我们用F表示:

class WhiteList {
    protected $host;
    protected $dicts;

    public function __construct() {
        $options = getOpt("S:F:");
        if (!isset($options["S"]) || !isset($options["F"])) {
            $this->usage();
        }
        $this->host = $options["S"];
        $this->dicts = $options["F"];
    }

    protected function usage() {
        exit("Usage: yar_server -F path_to_dict -S hostname:port\n");
    }
}

好了, 现在启动参数处理完成, 当然为了简单,我省去了对输入参数的有效性检查。

接下来, 我们需要完成俩个函数, 第一个是读取-F指定的词表文件,把所有的用户ID读入到一个数组中,因为我们的这个服务会是常驻进行, 所以不用担心性能, 它只会在启动阶段处理这个词表文件:

protected function loadDict() {
	$this->ids = array();

	$fp = fopen($this->dicts, "r");
	while (!feof($fp)) {
		$line = trim(fgets($fp));
		if ($line) {
			$this->ids[$line] = true;
		}
	}
	fclose($fp);
	echo "Loading dict successfully, ", count($this->ids), " loaded\n";

	return $this;
}

因为用户ID是整型,所以我们把它当作Hashtable的key,这样在将来查找的时候,使用isset会非常高效。 需要注意的是因为文件处理不是我们今天要讲的重点,也就省去了对文件存在行,可读性,合法性的检查。

好了, 接下来是重点了, 我们要启动一个IPV4 TCP Socket服务,监听在$host指定的地方, 为了方便大家了解Socket API,我们不采用PHP的Stream系列函数,而是采用PHP直接包装的Socket系列API, 首先我们用socket_create创建一个Socket套接字:

protected function listen() {
	$socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
	if ($socket == false) {
		throw new Exception("socket_create() failed: reason: " . socket_strerror(socket_last_error()));
	}
}

然后,我们需要使用socket_bind绑定这个Socket到我们需要监听的地址, 并且使用socket_listen来监听请求:

protected function listen() {
	$socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP);
	if ($socket == false) {
		throw new Exception("socket_create() failed: reason: " . socket_strerror(socket_last_error()));
	}
	list($hostname, $port) = explode(":", $this->host);
	if (socket_bind($socket, $hostname, $port) == false) {
		throw new Exception("socket_bind() failed: reason: " . socket_strerror(socket_last_error()));
	}
	if (socket_listen($socket, 64) === false) {
		throw new Exception("socket_listen() failed: reason: " . socket_strerror(socket_last_error()));
	}
	echo "Starting Yar_Server at {$this->host}\nPresss Ctrl + C to quit\n";

	$this->socket = $socket;
	return $this;
}

好了, 如果一切没问题,接下来我们就可以socket_accept来监听请求了, 默认的socket是阻塞模式,如果没有请求,进程会一直阻塞等待, 对于高性能的服务来说, 最好采用非阻塞+select或者epoll的模式来同时处理多个请求, 但是我们的这个例子主要是为了介绍Yar的协议, 所以还是采用简单的阻塞模式。

接下来,我们来编写真正的RPC处理部分,首先我们通过accept接受一个请求, 然后读取请求的的内容,分析请求头中的Yar RPC Header信息, Yar RPC的协议头定义如下:

typedef struct _yar_header {
    uint32_t       id;            // transaction id
    uint16_t       version;       // protocl version
    uint32_t       magic_num;     // default is: 0x80DFEC60
    uint32_t       reserved;
    unsigned char  provider[32];  // reqeust from who
    unsigned char  token[32];     // request token, used for authentication
    uint32_t       body_len;      // request body len
}

其中, magic_num是用来验证请求有效性的一个特殊值, 合法的Yar RPC请求都会设置这个值为0x80DFEC60(我很想告诉你为啥是这个值,但我真不记得当时我为啥用这个数字了),这个头部是82个字节,可能有同学会问,不对啊一看这个Struct不应该是82啊,那是因为头部申明的时候采用pack模式,也就是不对齐, 所以确实是82个字节.

这里有一个需要注意的是, 0x80DFEC60如果你是自在32位的系统上的话,这个值超过了PHP的最大有符号整数的表示范围,类似我之前的这篇文章介绍的
PHP_INT_MIN, PHP会自动转换成浮点数,所以如果是在32位系统上,你不能直接定义0x80DFEC60, 而是需要这么写来定义这个值:

pack("H*", "80DFEC60");

provider是一个字符串,标明了客户端的名字, 比如对于Yar扩展的Yar_Client就是"Yar PHP Cient-x.x.x"

token在设计的最初是为了做API key验证的,但是后来没用上,因为大部分都是内网应用,可以有多种办法来保证请求来源的合法性。

id是一个唯一请求id,这个是为了排查请求问题的, version默认为0,或者1,目前我没有升级过协议头,所以这个暂时我们也不用关心,reserved可以用来传递一些请求参数, 比如客户端可以说明是否保持连接。

body_len是我们需要关心的, 这个字段表明了这次请求,请求体一共多大(不包括Yar协议头部)。

所有的这些数字, 都是以网络字节序传递的, 我们采用PHP处理二进制流的unpack函数来解析读取进来的二进制流:

protected function parseHeader($header) {
   return 
     unpack("Nid/nversion/Nmagic_num/Nreserved/A32provider/A32token/Nbody_len", $header);
}

这个函数会返回一个上面说到的头部结构体的数组。

对应的我们也需要使用pack来实现生成Yar Header的方法:

const YAR_MAGIC_NUM = 0x80DFEC60;
protected function genHeader($id, $len) {
	$bin = pack("NnNNA32A32N", $id, 0, self::YAR_MAGIC_NUM, 0, "Yar PHP TCP Server", "", $len);
	return $bin;
}

如刚才说的,我们需要在接受一个请求以前, 验证请求的合法性:

protected function validRequest($header) {
	if ($header["magic_num"] != self::YAR_MAGIC_NUM) {
		return false;
	}
	return true;
}

所以大概请求的处理整个逻辑框架是:

protected function accept() {
	while (($conn = socket_accept($this->socket))) {
		$buf = socket_read($conn, self::HEADER_SIZE, PHP_BINARY_READ);
		if ($buf === false) {
			socket_shutdown($conn);
			continue;
		}

		if (!$this->validHeader($header = $this->parseHeader($buf))) {
			$output = $this->response(1, "illegal Yar RPC request");
			goto response;
		}

		$buf = socket_read($conn, $header["body_len"], PHP_BINARY_READ);
		if ($buf === false) {
			$output = $this->response(1, "insufficient request body");
			goto response;
		}

		if (!$this->validPackager($buf)) {
			$output = $this->response(1, "unsupported packager");
			goto response;
		}

		$buf = substr($buf, 8); /* 跳过打包信息的8个字节 */
		$request = $this->parseRequest($buf);
		if ($request == false) {
			$this->response(1, "malformed request body");
			goto response;
		}

		$status = $this->handle($request, $ret);

		$output = $this->response($status, $ret);
response:
		socket_write($conn, $output, strlen($output));

		socket_shutdown($conn); /* 关闭写 */
	}
}

现在整体的框架就算完成了,我们需要完成handle,response方法就可以了,handle是要根据用户的请求中的m, 来调用指定的方法

protected function handle($request, &$ret) {
	if ($request["m"] == "query") {
		$ret = $this->query(...$request["p"]);
	} else {
		$ret = "unsupported method '" . $request["m"]. "'";
		return 1;
	}
	return 0;
}

现在来实现query方法本身, 这个会很简单,就检查下id是不是在白名单数组:

protected function query($id) {
	return isset($this->ids[$id]);
}

好了,接下来我们要完成response方法,这个方法是打包一个符合Yar协议的返回体,包括82个字节的头部,8个字节的打包信息,以及序列化后的响应体, 我们需要根据status不同,来选择设置响应体中的r还是e字段:

protected function response($status, $ret) {
	$body = array();

	$body["i"] = 0;
	$body["s"] = $status;
	if ($status == 0) {
		$body["r"] = $ret;
	} else {
		$body["e"] = $ret;
	}

	$packed = serialize($body);
	$header = $this->genHeader(0, strlen($packed) + 8);

	return $header . str_pad("PHP", 8, "\0") . $packed;
}

好了, 马上就要大功告成了,我们最后完成启动方法和析构函数(关闭socket):

public function run() {
	$this->loadDict()->listen()->accept();
}
public function __destruct() {
	if ($this->socket) {
		socket_close($this->socket);
	}
}

现在一切就绪, 我们最后在文件末尾加入:

(new Whitelist)->run();

在测试之前,我们先准备一个测试词表,比如1到1000的id:

seq 1 1 10000 > user_id.dict

然后启动服务, 监听在本机的9000端口:

$ ./yar_server -F user_id.dict -S127.0.0.1:9000
Loading dict successfully, 1000 loaded
Starting Yar_Server at 127.0.0.1:9000
Presss Ctrl + C to quit

不错,服务启动成功,然后我们使用Yar扩展来编写客户端(你需要首先安装好Yar扩展), 测试下用户id 999和99999的调用效果:

<?php
$yar = new Yar_Client("tcp://127.0.0.1:9000");
var_dump($yar->query("999"));
var_dump($yar->query("99999"));
?>

和调用HTTP的Yar服务不同,此处我们应该使用tcp://做地址头,表示这是一个TCP的服务。

来,运行一下看看:

php7 client.php
bool(true)
bool(false)

看起来不错, 符合预期!

你也可以尝试故意构造一些错误的可能,比如调用不存在的方法之类的,来看看服务器的反应, 这个例子的代码你可以在这里找到.

到这里我就算介绍完了如何采用PHP来编写Yar的TCP服务, 大家应该可以很方便的把这个例子修改完善成自己希望的格式,或者嵌入Swoole(可以参考Swoole作者写的:这里)。

还是要再次说明,因为本文的主要目的是为了介绍Yar RPC通信协议,所以在服务管理这块并没有做的很完善,比如socket_accept, socket_read/write等都默认采用了阻塞模式,也没有加入超时设计,服务进程也只有一个,这个如果真的想用做实际服务的话,还是需要一些功课的,不过我相信你有兴趣的话,都是可以搞定的。:)

当然,最简单的是,你可以直接使用Yar-C服务框架来编写C Yar TCP服务。

在这里也有一个Yar-C Server的例子yar_server in C.

enjoy!

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文章名称:《使用PHP Socket开发Yar TCP服务》
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