深入研究PHP及Zend Engine的线程安全模型

在阅读PHP源码和学习PHP扩展开发的过程中，我接触到大量含有“TSRM”字眼的宏。通过查阅资料，知道这些宏与Zend的线程安全机制有关，而绝大多数资料中都建议按照既定规则使用这些宏就可以，而没有说明这些宏的具体作用。不知道怎么回事总是令人不舒服的，因此我通过阅读源码和查阅有限的资料简要了解一下相关机制，本文是我对研究内容的总结。
本文首先解释了线程安全的概念及PHP中线程安全的背景，然后详细研究了PHP的线程安全机制ZTS（Zend Thread Safety）及具体的实现TSRM，研究内容包括相关数据结构、实现细节及运行机制，最后研究了Zend对于单线程和多线程环境的选择性编译问题。

线程安全

线程安全问题，一言以蔽之就是多线程环境下如何安全存取公共资源。我们知道，每个线程只拥有一个私有栈，共享所属进程的堆。在C中，当一个变量被声明在任何函数之外时，就成为一个全局变量，这时这个变量会被分配到进程的共享存储空间，不同线程都引用同一个地址空间，因此一个线程如果修改了这个变量，就会影响到全部线程。这看似为线程共享数据提供了便利，但是PHP往往是每个线程处理一个请求，因此希望每个线程拥有一个全局变量的副本，而不希望请求间相互干扰。

早期的PHP往往用于单线程环境，每个进程只启动一个线程，因此不存在线程安全问题。后来出现了多线程环境下使用PHP的场景，因此Zend引入了Zend线程安全机制（Zend Thread Safety，简称ZTS）用于保证线程的安全。

基本思想

说起来ZTS的基本思想是很直观的，不是就是需要每个全局变量在每个线程都拥有一个副本吗？那我就提供这样的机制：

在多线程环境下，申请全局变量不再是简单声明一个变量，而是整个进程在堆上分配一块内存空间用作“线程全局变量池”，在进程启动时初始化这个内存池，每当有线程需要申请全局变量时，通过相应方法调用TSRM（Thread Safe Resource Manager，ZTS的具体实现）并传递必要的参数（如变量大小等等），TSRM负责在内存池中分配相应内存区块并将这块内存的引用标识返回，这样下次这个线程需要读写此变量时，就可以通过将唯一的引用标识传递给TSRM，TSRM将负责真正的读写操作。这样就实现了线程安全的全局变量。下图给出了ZTS原理的示意图：

Thread1和Thread2同属一个进程，其中各自需要一个全局变量Global Var，TSRM为两者在线程全局内存池中（黄色部分）各自分配了一个区域，并且通过唯一的ID进行标识，这样两个线程就可以通过TSRM存取自己的变量而互不干扰。

下面通过具体的代码片段看一下Zend具体是如何实现这个机制的。这里我用的是PHP5.3.8的源码。

TSRM的实现代码在PHP源码的“TSRM”目录下。

数据结构

TSRM中比较重要的数据结构有两个：tsrm_tls_entry和tsrm_resource_type。下面先看tsrm_tls_entry。

tsrm_tls_entry定义在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;}

每个tsrm_tls_entry结构负责表示一个线程的所有全局变量资源，其中thread_id存储线程ID，count记录全局变量数，next指向下一个节点。storage可以看做指针数组，其中每个元素是一个指向本节点代表线程的一个全局变量。最终各个线程的tsrm_tls_entry被组成一个链表结构，并将链表头指针赋值给一个全局静态变量tsrm_tls_table。注意，因为tsrm_tls_table是一个货真价实的全局变量，所以所有线程会共享这个变量，这就实现了线程间的内存管理一致性。tsrm_tls_entry和tsrm_tls_table结构的示意图如下：

tsrm_resource_type的内部结构相对简单一些：

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

上文说过tsrm_tls_entry是以线程为单位的（每个线程一个节点），而tsrm_resource_type以资源（或者说全局变量）为单位，每次一个新的资源被分配时，就会创建一个tsrm_resource_type。所有tsrm_resource_type以数组（线性表）的方式组成tsrm_resource_table，其下标就是这个资源的ID。每个tsrm_resource_type存储了此资源的大小和构造、析构方法指针。某种程度上，tsrm_resource_table可以看做是一个哈希表，key是资源ID，value是tsrm_resource_type结构。

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