深入研究PHP及Zend Engine的線程安全模型

在閱讀PHP源碼和學習PHP擴展開發的過程中，我接觸到大量含有“TSRM”字眼的宏。通過查閱資料，知道這些宏與Zend的線程安全機制有關，而絕大多數資料中都建議按照既定規則使用這些宏就可以，而沒有說明這些宏的具體作用。不知道怎么回事總是令人不舒服的，因此我通過閱讀源碼和查閱有限的資料簡要了解一下相關機制，本文是我對研究內容的總結。
本文首先解釋了線程安全的概念及PHP中線程安全的背景，然后詳細研究了PHP的線程安全機制ZTS（Zend Thread Safety）及具體的實現TSRM，研究內容包括相關數據結構、實現細節及運行機制，最后研究了Zend對于單線程和多線程環境的選擇性編譯問題。

線程安全

線程安全問題，一言以蔽之就是多線程環境下如何安全存取公共資源。我們知道，每個線程只擁有一個私有棧，共享所屬進程的堆。在C中，當一個變量被聲明在任何函數之外時，就成為一個全局變量，這時這個變量會被分配到進程的共享存儲空間，不同線程都引用同一個地址空間，因此一個線程如果修改了這個變量，就會影響到全部線程。這看似為線程共享數據提供了便利，但是PHP往往是每個線程處理一個請求，因此希望每個線程擁有一個全局變量的副本，而不希望請求間相互干擾。

早期的PHP往往用于單線程環境，每個進程只啟動一個線程，因此不存在線程安全問題。后來出現了多線程環境下使用PHP的場景，因此Zend引入了Zend線程安全機制（Zend Thread Safety，簡稱ZTS）用于保證線程的安全。

基本思想

說起來ZTS的基本思想是很直觀的，不是就是需要每個全局變量在每個線程都擁有一個副本嗎？那我就提供這樣的機制：

在多線程環境下，申請全局變量不再是簡單聲明一個變量，而是整個進程在堆上分配一塊內存空間用作“線程全局變量池”，在進程啟動時初始化這個內存池，每當有線程需要申請全局變量時，通過相應方法調用TSRM（Thread Safe Resource Manager，ZTS的具體實現）并傳遞必要的參數（如變量大小等等），TSRM負責在內存池中分配相應內存區塊并將這塊內存的引用標識返回，這樣下次這個線程需要讀寫此變量時，就可以通過將唯一的引用標識傳遞給TSRM，TSRM將負責真正的讀寫操作。這樣就實現了線程安全的全局變量。下圖給出了ZTS原理的示意圖：

Thread1和Thread2同屬一個進程，其中各自需要一個全局變量Global Var，TSRM為兩者在線程全局內存池中（黃色部分）各自分配了一個區域，并且通過唯一的ID進行標識，這樣兩個線程就可以通過TSRM存取自己的變量而互不干擾。

下面通過具體的代碼片段看一下Zend具體是如何實現這個機制的。這里我用的是PHP5.3.8的源碼。

TSRM的實現代碼在PHP源碼的“TSRM”目錄下。

數據結構

TSRM中比較重要的數據結構有兩個：tsrm_tls_entry和tsrm_resource_type。下面先看tsrm_tls_entry。

tsrm_tls_entry定義在TSRM/TSRM.c中：

typedef struct _tsrm_tls_entry tsrm_tls_entry;struct _tsrm_tls_entry {	void **storage;	int count;	THREAD_T thread_id;	tsrm_tls_entry *next;}

每個tsrm_tls_entry結構負責表示一個線程的所有全局變量資源，其中thread_id存儲線程ID，count記錄全局變量數，next指向下一個節點。storage可以看做指針數組，其中每個元素是一個指向本節點代表線程的一個全局變量。最終各個線程的tsrm_tls_entry被組成一個鏈表結構，并將鏈表頭指針賦值給一個全局靜態變量tsrm_tls_table。注意，因為tsrm_tls_table是一個貨真價實的全局變量，所以所有線程會共享這個變量，這就實現了線程間的內存管理一致性。tsrm_tls_entry和tsrm_tls_table結構的示意圖如下：

tsrm_resource_type的內部結構相對簡單一些：

typedef struct {	size_t size;	ts_allocate_ctor ctor;	ts_allocate_dtor dtor;	int done;} tsrm_resource_type;

上文說過tsrm_tls_entry是以線程為單位的（每個線程一個節點），而tsrm_resource_type以資源（或者說全局變量）為單位，每次一個新的資源被分配時，就會創建一個tsrm_resource_type。所有tsrm_resource_type以數組（線性表）的方式組成tsrm_resource_table，其下標就是這個資源的ID。每個tsrm_resource_type存儲了此資源的大小和構造、析構方法指針。某種程度上，tsrm_resource_table可以看做是一個哈希表，key是資源ID，value是tsrm_resource_type結構。

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