深入剖析 Web 服务器与 PHP 应用之间的通信机制 – 掌握 CGI 和 FastCGI 协议的运行原理

身为一名使用 PHP 语言开发后端服务的程序猿,我们每天都和 PHP 以及 Web 服务器产生无数次的亲密接触。得益于它们,我们才能够如此快速的构建出令人陶醉的 Web 产品。

尽管我们已经和 Web 服务器和 PHP 建立起深厚的友谊,但你知道它们之间为何能够配合的如此默契么?

这一切都需要从 CGI(Common Gateway Interface:通用网关接口)协议说起。但是请不要对 CGI 协议产生任何的恐惧心理,它并非什么特别复杂的协议,如果你对它不甚了解,可能的原因或许是你还有花一点小心思来学习它。

所以,你应该明白,现在你应该抽出 20 多分钟仔细的研究一下: Web 服务器与 PHP 应用之间是如何进行通信的这个问题。

介绍

我们知道 PHP 自 5.4 起为我们内置的 Web 服务器。不过在此之前的版本(或者不使用这个内置服务器时),我们就需要使用其他的 Web 服务器,通常是 Nginx 或者 Apache 这两块 Web 服务器,来部署我们的 PHP 应用。

这就涉及一个问题,当用户发起一个 HTTP 请求后,我们的 PHP 应用程序在处理这个请求时并没有直接的解析这个 HTTP 协议,而是可以直接从 \$_GET\$_POST\$_SERVER等全局变量中,获取到用户请求数据和其它系统环境。这究竟又是为何呢?

要想整明白这个问题,我们就不得不需要整明白一个问题:CGI 协议

CGI 协议同 HTTP 协议一样是一个「应用层」协议,它的 功能 是为了解决 Web 服务器与 PHP 应用(或其他 Web 应用)之间的通信问题。

既然它是一个「协议」,换言之它与语言无关,即只要是实现类 CGI 协议的应用就能够实现相互的通信。

深入 CGI 协议

我们已经知道了 CGI 协议是为了完成 Web 服务器和应用之间进行数据通信这个问题。那么,这一节我们就来看看究竟它们之间是如何进行通信的。

简单来讲 CGI 协议它描述了 Web 服务器和应用程序之间进行数据传输的格式,并且只要我们的编程语言支持标准输入(STDIN)、标准输出(STDOUT)以及环境变量等处理,你就可以使用它来编写一个 CGI 程序。

CGI 的运行原理

  • 当用户访问我们的 Web 应用时,会发起一个 HTTP 请求。最终 Web 服务器接收到这个请求。
  • Web 服务器创建一个新的 CGI 进程。在这个进程中,将 HTTP 请求数据已一定格式解析出来,并通过标准输入和环境变量传入到 URL 指定的 CGI 程序(PHP 应用 $_SERVER)。
  • Web 应用程序处理完成后将返回数据写入到标准输出中,Web 服务器进程则从标准输出流中读取到响应,并采用 HTTP 协议返回给用户响应。

一句话就是 Web 服务器中的 CGI 进程将接收到的 HTTP 请求数据读取到环境变量中,通过标准输入转发给 PHP 的 CGI 程序;当 PHP 程序处理完成后,Web 服务器中的 CGI 进程从标准输出中读取返回数据,并转换回 HTTP 响应消息格式,最终将页面呈献给用户。然后 Web 服务器关闭掉这个 CGI 进程。

可以说 CGI 协议特别擅长处理 Web 服务器和 Web 应用的通信问题。然而,它有一个严重缺陷,对于每个请求都需要重新 fork 出一个 CGI 进程,处理完成后立即关闭。

CGI 协议的缺陷

  • 每次处理用户请求,都需要重新 fork CGI 子进程、销毁 CGI 子进程。
  • 一系列的 I/O 开销降低了网络的吞吐量,造成了资源的浪费,在大并发时会产生严重的性能问题。

深入 FastCGI 协议

从功能上来讲,CGI 协议已经完全能够解决 Web 服务器与 Web 应用之间的数据通信问题。但是由于每个请求都需要重新 fork 出 CGI 子进程导致性能堪忧,所以基于 CGI 协议的基础上做了改进便有了 FastCGI 协议,它是一种常驻型的 CGI 协议。

本质上来将 FastCGI 和 CGI 协议几乎完全一样,它们都可以从 Web 服务器里接收到相同的数据,不同之处在于采取了不同的通信方式。

再来回顾一下 CGI 协议每次接收到 HTTP 请求时,都需要经历 fork 出 CGI 子进程、执行处理并销毁 CGI 子进程这一系列工作。

而 FastCGI 协议采用 进程间通信(IPC) 来处理用户的请求,下面我们就来看看它的运行原理。

FastCGI 协议运行原理

  • FastCGI 进程管理器启动时会创建一个 主(Master) 进程和多个 CGI 解释器进程(Worker 进程),然后等待 Web 服务器的连接。
  • Web 服务器接收 HTTP 请求后,将 CGI 报文通过 套接字(UNIX 或 TCP Socket)进行通信,将环境变量和请求数据写入标准输入,转发到 CGI 解释器进程。
  • CGI 解释器进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一连接返回给 Web 服务器。
  • CGI 解释器进程等待下一个 HTTP 请求的到来。

为什么是 FastCGI 而非 CGI 协议

如果仅仅因为工作模式的不同,似乎并没有什么大不了的。并没到非要选择 FastCGI 协议不可的地步。

然而,对于这个看似微小的差异,但意义非凡,最终的结果是实现出来的 Web 应用架构上的差异。

CGI 与 FastCGI 架构

在 CGI 协议中,Web 应用的生命周期完全依赖于 HTTP 请求的声明周期。

对每个接收到的 HTTP 请求,都需要重启一个 CGI 进程来进行处理,处理完成后必须关闭 CGI 进程,才能达到通知 Web 服务器本次 HTTP 请求处理完成的目的。

但是在 FastCGI 中完全不一样。

FastCGI 进程是常驻型的,一旦启动就可以处理所有的 HTTP 请求,而无需直接退出。

再看 FastCGI 协议

通过前面的讲解,我们相比已经可以很准确的说出来 FastCGI 是一种通信协议 这样的结论。现在,我们就将关注的焦点挪到协议本身,来看看这个协议的定义。

同 HTTP 协议一样,FastCGI 协议也是有消息头和消息体组成。

消息头信息

主要的消息头信息如下:

  • Version:用于表示 FastCGI 协议版本号。
  • Type:用于标识 FastCGI 消息的类型 - 用于指定处理这个消息的方法。
  • RequestID:标识出当前所属的 FastCGI 请求。
  • Content Length: 数据包包体所占字节数。

消息类型定义

  • BEGIN_REQUEST:从 Web 服务器发送到 Web 应用,表示开始处理新的请求。
  • ABORT_REQUEST:从 Web 服务器发送到 Web 应用,表示中止一个处理中的请求。比如,用户在浏览器发起请求后按下浏览器上的「停止按钮」时,会触发这个消息。
  • END_REQUEST:从 Web 应用发送给 Web 服务器,表示该请求处理完成。返回数据包里包含「返回的代码」,它决定请求是否成功处理。
  • PARAMS:「流数据包」,从 Web 服务器发送到 Web 应用。此时可以发送多个数据包。发送结束标识为从 Web 服务器发出一个长度为 0 的空包。且 PARAMS 中的数据类型和 CGI 协议一致。即我们使用 \$_SERVER 获取到的系统环境等。
  • STDIN:「流数据包」,用于 Web 应用从标准输入中读取出用户提交的 POST 数据。
  • STDOUT:「流数据报」,从 Web 应用写入到标准输出中,包含返回给用户的数据。

Web 服务器和 FastCGI 交互过程

  • Web 服务器接收用户请求,但最终处理请求由 Web 应用完成。此时,Web 服务器尝试通过套接字(UNIX 或 TCP 套接字,具体使用哪个由 Web 服务器配置决定)连接到 FastCGI 进程。
  • FastCGI 进程查看接收到的连接。选择「接收」或「拒绝」连接。如果是「接收」连接,则从标准输入流中读取数据包。
  • 如果 FastCGI 进程在指定时间内没有成功接收到连接,则该请求失败。否则,Web 服务器发送一个包含唯一的 RequestIDBEGIN_REQUEST 类型消息给到 FastCGI 进程。后续所有数据包发送都包含这个 RequestID。 然后,Web 服务器发送任意数量的 PARAMS 类型消息到 FastCGI 进程。一旦发送完毕,Web 服务器通过发送一个空 PARAMS 消息包,然后关闭这个流。 另外,如果用户发送了 POST 数据 Web 服务器会将其写入到 标准输入(STDIN) 发送给 FastCGI 进程。当所有 POST 数据发送完成,会发送一个空的 标准输入(STDIN) 来关闭这个流。
  • 同时,FastCGI 进程接收到 BEGIN_REQUEST 类型数据包。它可以通过响应 END_REQUEST 来拒绝这个请求。或者接收并处理这个请求。如果接收请求,FastCGI 进程会等待接收所有的 PARAMS标准输入数据包。 然后,在处理请求并将返回结果写入 标准输出(STDOUT) 流。处理完成后,发送一个空的数据包到标准输出来关闭这个流,并且会发送一个 END_REQUEST 类型消息通知 Web 服务器,告知它是否发生错误异常。

为什么需要在消息头发送 RequestID 这个标识?

如果是每个连接仅处理一个请求,发送 RequestID 则略显多余。

但是我们的 Web 服务器和 FastCGI 进程之间的连接可能处理多个请求,即一个连接可以处理多个请求。所以才需要采用数据包协议而不是直接使用单个数据流的原因:以实现「多路复用」。

因此,由于每个数据包都包含唯一的 RequestID,所以 Web 服务器才能在一个连接上发送任意数量的请求,并且 FastCGI 进程也能够从一个连接上接收到任意数量的请求数据包。

另外我们还需要明确一点就是 Web 服务器 与 FastCGI 进程间通信是 无序的。即使我们在交互过程中看起来一个请求是有序的,但是我们的 Web 服务器也有可能在同一时间发出几十个 BEGIN_REQUEST 类型的数据包,以此类推。

PHP-FPM

其实讲解完 CGI 和 FastCGI 协议,基本上我们就已经研究完 「Web 服务器与 PHP 应用之间的通信机制」这个问题了。但是对于我们 PHP 软件工程师来讲,可能还会遇到「什么是 PHP-FPM」及其相关问题。这里我们一并来稍微讲解一下。

PHP-FPM 是 FastCGI 进程管理器(PHP FastCGI Process Manager),用于替换 PHP 内核的 FastCGI 的大部分附加功能(或者说一种替代的 PHP FastCGI 实现),对于高负载网站是非常有用的。

下面是官网中获取到的它所支持的特性:

  • 支持平滑停止 / 启动的高级进程管理功能;
  • 可以工作于不同的 uid/gid/chroot 环境下,并监听不同的端口和使用不同的 php.ini 配置文件(可取代 safe_mode 的设置);
  • stdout 和 stderr 日志记录;
  • 在发生意外情况的时候能够重新启动并缓存被破坏的 opcode;
  • 文件上传优化支持;
  • "慢日志" - 记录脚本(不仅记录文件名,还记录 PHP backtrace 信息,可以使用 ptrace 或者类似工具读取和分析远程进程的运行数据)运行所导致的异常缓慢;
  • fastcgi_finish_request() - 特殊功能:用于在请求完成和刷新数据后,继续在后台执行耗时的工作(录入视频转换、统计处理等);
  • 动态/静态子进程产生;
  • 基本 SAPI 运行状态信息(类似 Apache 的 mod_status);
  • 基于 php.ini 的配置文件。

那么 PHP-FPM 是如何工作的呢?

PHP-FPM 进程管理器有两种进程组成,一个 Master 进程和多个 Worker 进程。Master 进程负责监听端口,接收来自 Web 服务器的请求,然后指派具体的 Worker 进程处理请求;worker 进程则一般有多个 (依据配置决定进程数),每个进程内部都嵌入了一个 PHP 解释器,用来执行 PHP 代码。

Nginx 服务器如何与 FastCGI 协同工作

Nginx 服务器无法直接与 FastCGI 服务器进行通信,需要启用 ngx_http_fastcgi_module 模块进行代理配置,才能将请求发送给 FastCGI 服务。

其中,包括我们熟知的配置指令:

  • fastcgi_pass 用于设置 FastCGI 服务器的 IP 地址(TCT 套接字)或 UNIX 套接字。
  • fastcgi_param 设置传入 FastCGI 服务器的参数。

你可以到 PHP FastCGI 实例教程 学习一些基本使用。

总结

到这里我们基本就学习完 CGI、FastCGI、PHP-FPM以及 Nginx 服务器与 FastCGI 服务通信原理。一句话:

CGI 和 FastCGI 是一种协议和 HTTP 协议一样位于应用层,与语言无关;PHP-FPM 是一种 FastCGI 协议的实现,能够管理 FastCGI 进程。

扩展阅读

关于 “深入剖析 Web 服务器与 PHP 应用之间的通信机制 – 掌握 CGI 和 FastCGI 协议的运行原理” 的 3 个意见

  1. “FastCGI 进程管理器启动时会创建一个 主(Master) 进程和多个 CGI 解释器进程(Worker 进程),然后等待 Web 服务器的连接。“ 个人理解,这个并不是FastCGI 协议运行原理,只是你实现了这个协议后,怎么处理的问题,至于要不要worker都无所谓,不是fastcgi的范畴了。

    1. 这样理解也是没有错的,不过如果只是讲 FastCGI 协议可能还是不能很好说明 FastCGI,所以结合实现可能更有助于理解。

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