全面了解 CGI、FastCGI、PHP-FPM

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发布于: 2020 年 08 月 16 日
抛个砖﻿
Web Server传递数据的方法﻿
正式说CGI之前，先来了解一下Web Server传递数据的另外一种方法：PHP Module加载方式。相信都会想起Apache吧，初学php时，在windows上安装完php和Apache之后，为了让Apache能够解析php代码，我们会在Apache的配置文件(httpd.conf)中添加如下配置：
#添加下边两行
LoadModule php5_module D:/php/php5apache2_2.dll
AddType application/x-httpd-php .php
# 修改如下内容
<IfModule dir_module>
    DirectoryIndex index.php index.html
</IfModule>
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当在linux环境下源码安装时，大致是这样：
./configure --with-mysql=/usr/local --with-apache=/usr/local/apache --enable-track-vars
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其实原理都是，用LoadModule来加载php5_module，就是把php作为apache的一个子模块来运行。当通过web访问php文件时，apache就会调用php5_module来解析php代码
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那么，php5_module是如何将数据传给php的解析器来解析php代码的呢？   
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答案是：sapi
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用一张图来看apache、php、sapi三者之间的关系： 
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从上面图中，我们看出了sapi就是这样的一个中间过程，sapi提供了一个和外部通信的接口，使得PHP可以和其他应用进行交互数据（apache，nginx等）。php默认提供了很多种sapi，常见的提供给apache和nginx的php5_module、CGI、FastCGI，给IIS的ISAPI，以及Shell的CLI。（httpd是Apache超文本传输协议(HTTP)服务器的主程序。被设计为一个独立运行的后台进程，它会建立一个处理请求的子进程或线程池）
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所以，以上的apache调用php执行的过程如下：
apache -> httpd -> php5_module -> sapi -> php
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这种模式将php模块安装到apache中，每一次apache请求，都会产生一条进程，这个进程就完整的包括php的各种运算计算等操作
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在上图中，我们很清晰的可以看到，apache每接收一个请求，都会产生一个进程来连接php通过sapi来完成请求，可想而知，如果一旦用户过多，并发数过多，服务器就会承受不住了。而且，把php当做一个模块加载到apache中，出问题时很难定位是php的问题还是apache的问题
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引出概念﻿
在整个网站架构中，Web Server（如Apache、Nginx）只是内容的分发者。举个栗子，如果客户端请求的是 index.html，那么Web Server会去文件系统中找到这个文件，发送给浏览器，这里分发的是静态数据
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如果请求的是 index.php，根据配置文件，Web Server知道这个不是静态文件，需要去找 PHP 解析器来处理，那么他会把这个请求简单处理，然后交给PHP解析器
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当Web Server收到index.php 这个请求后，会启动对应的 CGI 程序，这里就是PHP的解析器。接下来PHP解析器会解析php.ini文件，初始化执行环境，然后处理请求，再按照CGI规定的格式返回处理后的结果，退出进程，Web server再把结果返回给浏览器。这就是一个完整的动态PHP Web访问流程，接下来再引出这些概念，会好理解很多
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CGI：是 Web Server 与 Web Application 之间数据交换的一种协议或规范
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FastCGI：同 CGI，是一种通信协议，但比 CGI 在效率上做了一些优化
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PHP-CGI：是 PHP （Web Application）对 Web Server 提供的 CGI 协议的接口程序
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PHP-FPM：是 PHP（Web Application）对 Web Server 提供的 FastCGI 协议的接口程序，额外还提供了相对智能一些任务管理
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（Web Server 一般指Apache、Nginx、IIS、Tomcat等服务器，Web Application 一般指PHP、Java、Asp.net等应用程序） 
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概念CGI﻿
CGI（Common Gateway Interface）全称是“通用网关接口”，WEB 服务器与PHP应用进行“交谈”的一种工具，其程序须运行在网络服务器上。CGI可以用任何一种语言编写，只要这种语言具有标准输入、输出和环境变量。如php、perl、tcl等
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WEB服务器会传哪些数据给PHP解析器呢？
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URL、查询字符串、POST数据、HTTP header都会有。所以，CGI就是规定要传哪些数据，以什么样的格式传递给后方处理这个请求的协议。也就是说，CGI就是专门用来和 web 服务器打交道的。web服务器收到用户请求，就会把请求提交给cgi程序（如php-cgi），cgi程序根据请求提交的参数作应处理（解析php），然后输出标准的html语句，返回给web服服务器，WEB服务器再返回给客户端，这就是普通cgi的工作原理（cgi程序，你就可以理解成遵循cgi协议编写的程序）
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优点﻿
CGI的好处就是完全独立于任何服务器，仅仅是做为中间分支。提供接口给web服务器和web应用(如提nginx和php)。他们通过cgi搭线来完成数据传递，这样做的好处是尽量减少两者的关联，使他们变得更独立
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缺点﻿
但是CGI有个难受的地方，就是每一次web请求都会有启动和退出过程，也就是最为人诟病的fork-and-execute模式，这样一在大规模并发下，就死翘翘了
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FastCGI﻿
从根本上来说，FastCGI是用来提高CGI程序性能的。类似于CGI，FastCGI也可以说是一种协议
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FastCGI像是一个常驻(long-live)型的CGI，它可以一直执行着，只要激活后，不会每次都要花费时间去fork一次
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FastCGI是和语言无关的、可伸缩架构的CGI开放扩展，其主要行为是将CGI解释器进程保持在内存中，并因此获得较高的性能。众所周知，CGI解释器的反复加载是CGI性能低下的主要原因，如果CGI解释器保持在内存中，并接受FastCGI进程管理器调度，则可以提供良好的性能、伸缩性、Fail- Over特性等等
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举例﻿
当web server收到/index.php请求，CGI程序和FastCGI程序分别是怎么处理的？
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CGI：当收到web server请求后，会启动对应的CGI程序，这里就是PHP的解析器（php-cgi）。接下来PHP解析器会解析php.ini文件，初始化执行环境，然后处理请求，再以CGI规定的格式返回处理后的结果，退出进程（CGI每次接收到请求都会执行这些步骤）
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FastCGI：首先，FastCGI程序会先启动一个master，解析配置环境，初始化执行环境，然后再启动多个worker。当请求过来时，master会传递给一个worker，然后立即可以接受下一个请求。这样就避免了重复的劳动，效率自然是高。而且当worker不够用时，master可以根据配置预先启动几个worker等着；当然空闲worker太多时，也会停掉一些，这样就提高了性能，也节约了资源，这就是fastcgi对进程的管理。（CGI程序和FastCGI程序，可以理解成遵循CGI协议和FastCGI协议编写的程序）
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FastCGI的工作原理﻿
FastCGI接口方式采用C/S结构，可以将HTTP服务器和脚本解析服务器分开，同时在脚本解析服务器上启动一个或者多个脚本解析守护进程。当HTTP服务器每次遇到动态程序时，可以将其直接交付给FastCGI进程来执行，然后将得到的结果返回给浏览器。这种方式可以让HTTP服务器专一地处理静态请求，或者将动态脚本服务器的结果返回给客户端，这在很大程度上提高了整个应用系统的性能
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Web Server启动时载入FastCGI进程管理器（Apache Module或IIS ISAPI等)
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FastCGI进程管理器自身初始化，启动多个CGI解释器进程(可建多个php-cgi)，并等待来自Web Server的连接
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当客户端请求到达Web Server时，FastCGI进程管理器选择并连接到一个CGI解释器。Web server将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程php-cgi
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FastCGI子进程完成处理后，将标准输出和错误信息从同一连接返回Web Server。当FastCGI子进程关闭连接时，请求便告处理完成。FastCGI子进程接着等待，并处理来自FastCGI进程管理器(运行在Web Server中)的下一个连接。在CGI模式中，php-cgi在此便退出了
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CGI与FastCGI比较﻿
对于CGI来说，每一个Web请求PHP都必须重新解析php.ini、重新载入全部扩展，并重新初始化全部数据结构。而使用FastCGI，所有这些都只在进程启动时发生一次。一个额外的好处是，持续数据库连接(Persistent database connection)
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由于FastCGI是多进程，所以比CGI多线程消耗更多的服务器内存，php-cgi解释器每进程消耗7至25兆内存，将这个数字乘以50或100就是很大的内存数
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PHP-FPM﻿
首先要说的是：fastcgi是一个协议，php-fpm实现了这个协议
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大家都知道，PHP的解释器是php-cgi。php-cgi只是个CGI程序，他自己本身只能解析请求，返回结果，不会进程管理，所以就出现了一些能够调度php-cgi进程的程序，php-fpm就是这样的一个东西。它克服了php-cgi变更php.ini配置后，需重启php-cgi才能让新的php-ini生效，不可以平滑重启，直接杀死php-cgi进程，php就不能运行了的问题。修改php.ini之后，php-cgi进程的确没办法平滑重启的。php-fpm对此的处理机制是新的worker用新的配置，已经存在的worker处理完手上的活就可以歇着了，通过这种机制来平滑过度
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php-fpm提供了更好的php进程管理方式，可以有效的控制内存和进程，可以平滑重载php配置
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总结一下这个升级的过程
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如果要搭建一个高性能的PHP WEB服务器，目前最佳的方式是Apache/Nginx + FastCGI + PHP-FPM(+PHP-CGI)方式了
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参考：
https://segmentfault.com/a/1190000010968145
https://www.awaimai.com/371.html
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