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EventLoop の実装から考えるFiber PHPerKaigi petit - PHP8.1 リリース祝賀会 2021-12-21 @hanhan1978

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自己紹介

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こんなのを PHP カンファレンス2021 でやった。 https://speakerdeck.com/hanhan1978/php-async-programming

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ペチコンの内容を３行でまとめると... 非同期処理はわからん Fiber よくわからん とりあえず、PHP でPHP を動かせ 全体的に、分かってるやつしか分からん構成になってしまって反省し ている。

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8.1 リリース祝賀会バージョンでは... Fiber 完全に理解している 非同期処理を完全に理解している わかりやすく説明できる自信がある

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Fiber を理解する必要はあるか？ よくある解説 これがイヤな場合 -> Fiber を理解しないといかん。 これでOK な場合 -> Fiber を実行基盤にもつフレームワークが登場した時に詰む -> つまり、Fiber を理解しないといかん。 なんとなく非同期処理ができるっぽいやつ。ライブラリ作成者の 為の機能、一般開発者は気にしなくて良い。 “ “

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まじめな話 PHP ファンデーションとかもできたし、実装の詳細から逃げ回ってい るだけでは駄目。 みんなで知見をため、公表しあって、日本からもコミッターが出るよ うに盛り上げていかないとイカン。 今日一番まじめな話、終わり。

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今日のゴール Fiber をみんなが完全に理解すること

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物語の開始地点 なぜ、Fiber が求められているのか？ なぜ、それがPHP に入ってくるのか？ この物語のWHY が解決しないと、以降の議論は全て薄くなる。 非同期処理が2021 年現在、非同期処理から遠い位置にいるPHP にまで 言語機能として入ってこようとしているのはなぜ？

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半導体の話 ムーアの法則が、頭打ちしつつある。電気的に、熱的に、集積度を上 げにくくなってる。 -> コアの性能アップは難しい -> だから、マルチコアで並行処理をすることで、スループットを上げ よう。 ここが開始地点。 パタヘネを読もう。

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並行処理の話 これまでは、我々が気にする必要がなかった。 -> アプリケーションレイヤーの話ではなく、ハードウェアやOS の役 目 我々は同期処理パラダイスで生きていけた。

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もったいない HTTP リクエストの応答待ち、DB クエリの応答待ち。この間、CPU は 遊んでる。 厳密には、遊んでるわけではないが、PHP のスクリプトは同期的処理 を行うため、きっちり応答をまつ。 結果として、CPU はその性能を全て引き出されていない状態になる。

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もったいない

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もったいなくない

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もったいないサンプル dummy API ( リクエストにきっちり1 秒かかる)

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古き良きPHP スクリプト (API を5 回叩く)

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同期的HTTP リクエストの結果

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なぜ、5 秒かかるのか？ 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 5 だから。 PHP の組み込み関数はブロッキング。つまり、処理をブロックする HTTP Request -> 応答待ちで1 秒待つ 解消するためには、応答を待たずに次のLoop に入らないといけない。 HTTP Request -> 応答を待たずにLoop -> 結果が帰ってきたら出力

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じゃあどうすればいい？ file_get_contents は処理をブロックする... curl でも一緒... どうすれば、処理をブロックしないのか？誰がブロックするのか？

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ブロックしていたのは誰？ Socket ブロッキング、ノンブロッキングのモードを持つ。つまり、ノンブロ ッキングモードのSocket を使う file_get_contents を作ればいい。

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ブロックしない file_get_contents

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PHP によるブロックしないAPI コール

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PHP によるブロックしないAPI コール結果 ブロックしない、非同期プログミングが完了。

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NonBlocking 化による実行スレッドの流れ 夢は達成された。Generator も Fiber もいらなかったんや...

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本当か？ それを確かめるために、調査隊はさきほどのソースコードを Generator を使って書き直してみた。

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非同期関数のGenerator 版

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PHP によるブロックしないAPI コール(Generator 版)

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通信結果を受け取る関数(Generator 版) ※まじで酷いコードだが、検証用なので許して。

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Generator 版の実行結果 きっちり1 秒で5 リクエスト

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Generator にしたことで何が起きた？ 結果を受け取る処理が、g->current() に置き換わった。 Generator で停止したスレッドの再開 という形で抽象化された。

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Generator 前のコード Socket から結果を受け取るという具象コードを書いている。 Generator を使うと 停止・再開 という文脈を活かした抽象化が出来 る。

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Generator 化による実行スレッドの流れ 夢は達成された。 Fiber はいらなかったんや...

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本当か？ それを確かめるために、調査隊はさきほどのソースコードをFiber を使 って書き直してみた。

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PHP によるブロックしないAPI コール(Fiber 版)

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通信結果を受け取る関数(Fiber 版) ※Generator を返す必要が無くなった

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通信結果を受け取る関数2(Fiber 版)

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Fiber 版の実行結果 きっちり1 秒で5 リクエスト

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Fiber にしたことで何が起きた？ 停止スレッドは Fiber オブジェクトに抽象化 Fiber オブジェクトの処理内部では、どこからでも自分を停止でき る。 Generator と違って、 yield して主スレッドに戻す必要がない。

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Fiber 化による実行スレッドの流れ ここまでのまとめ

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個人的にポイントになると思うところ 非同期プログミングにおいては、主スレッドと分岐スレッドという考 え方を常に持つ必要がある。 今回の例だと、HTTP リクエストを投げているのは分岐スレッド 分岐スレッドがレスポンスが受け取ったことを検査して、分岐スレッ ドの停止・再開を行うのは主スレッド 非同期プログミングは、分岐スレッドを管理する主スレッドが必要

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EventLoop とは？ Swoole, ReactPHP, AmPHP などは、それぞれ EventLoop を実装し ている。 なぜ、彼らは EventLoop を実装する？ EventLoop とは？？ 並行処理をするのに、何故 EventLoop が必要なのか？

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EventLoop 語弊を恐れずにいうと、ただのLoop さっきのサンプルのFiber 版では、Fiber オブジェクトを生成してLoop で回して処理をしていた。 これも広義のEventLoop といえる（はず）

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EventLoop の構成要素 EventProvider 処理を Queue に追加 EventLoop スケジューラーに従って Event を 処理 EventHandler Event を実行する

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EventLoop の構成要素 EventLoop はシングルスレッドでいい リクエストは Queue で一直線にされる (DeMultiplex) Reactor Pattern という

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EventLoop と Fiber の関係 Fiber により、停止・再開が抽象化されると、処理が抽象的に、簡潔 にかけるようになる。 これが、Fiber の本当の意味。

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Fiber の中身 ucontext というライブラリが使われている。このシステムコールは、 ユーザーコンテキストの作成・切替をサポートする。boost_context というやつもある。 Swoole は、boost_context を使って、Fiber っぽいことをやってい る。

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この先の展開 Fiber で実装された EventLoop を持つフレームワークが出てくる。 （間違いない） Fiber が拡張され、スケジューラーやPromise, Async/Await が PHP に 提供される (8.3? 9.0?)

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hanhan1978 の予定 Fiber で EventLoop を実装し、分かりやすいサンプルを書く。 EventLoop の構成要素を、分かりやすいサンプルで書く。 分かりやすい図で、下の概念を説明する。 スケジューラー non-preemptive 非同期、並行、このあたりはOS 周りの実装で出てくる。 OS 実装の本とかに参考になる記述が散見される。

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PHPerkaigi にプロポーザル投げるの で、みんな星つけてね！