如何使用 PHP 直接在共享内存中存储数据集

概述

共享内存是一种在相同机器中的应用程序之间交换数据的有效方式。一个进程可创建一个可供其他进程访问的内存段，只要它分配了正确的权限。每个内存段拥有一个惟一的 ID（称为 shmid），这个 ID 指向一个物理内存区域，其他进程可在该区域操作它。创建并提供了合适的权限之后，同一台机器中的其他进程就可以操作这些内存段：读取、写入和删除。

这表明使用 C 语言编写的应用程序可与使用其他语言（比如 Java™ 或 PHP）编写的应用程序共享信息。它们都可以共享信息，只要它们可访问和理解该信息。共享内存在针对大部分语言的实现中得到了广泛使用，所以访问应该不是 问题。要理解信息，我们可以使用一种标准格式，比如 XML 或 JSON。

共享内存的使用是一种在进程之间交换数据的快速方法，主要因为在创建内存段之后传递数据，不会涉及内核。这种方法常常称为进程间通信 (IPC)。其他 IPC 方法包括管道、消息队列、RPC 和套接字。当使用需要彼此通信的应用程序的生态系统时，这种在应用程序之间快速、可靠地交换数据的能力非常有用。取决于生态系统的大小，使用数据库在应用 程序之间交换信息的常用方法常常会导致查询缓慢，甚至 I/O 阻塞。使用共享内存，没有 I/O 会减缓开发人员的进度。

本文的提议非常简单，学习如何使用 PHP 创建和操作共享内存段，使用它们存储可供其他应用程序使用的数据集。即使没有使用共享内存交换数据的计划，它本身也在许多好处，因为它使应用程序能够远离 I/O 问题。将数据集直接存储在内存中具有诸多优势，从 Web 服务数据缓存到会话共享。它是一个非常有用的概念，每个 PHP 开发人员都应该知道。

共享内存和 PHP

PHP 拥有丰富的可用扩展，共享内存也一样。使用一些共享的函数，无需安装任何扩展，开发人员就能够轻松操作内存段。

创建内存段

共享内存函数类似于文件操作函数，但无需处理一个流，您将处理一个共享内存访问 ID。第一个示例就是 shmop_open 函数，它允许您打开一个现有的内存段或创建一个新内存段。此函数非常类似于经典的 fopen 函数，后者打开用于文件操作的流，返回一个资源供其他希望读取或写入该打开的流的函数使用。让我们看看清单 1 中的 shmop_open。

清单 1. shmop_open 函数

				
<?php

$systemid = 864; // System ID for the shared memory segment
$mode = "c"; // Access mode
$permissions = 0755; // Permissions for the shared memory segment
$size = 1024; // Size, in bytes, of the segment

$shmid = shmop_open($systemid, $mode, $permissions, $size);

?>

 

该函数中出现的第一个事物是系统 ID 参数。这是标识系统中的共享内存段的数字。第二个参数是访问模式，它非常类似于 fopen 函数的访问模式。您可以在 4 种不同的模式下访问一个内存段：

• 模式 “a”，它允许您访问只读内存段
• 模式 “w”，它允许您访问可读写的内存段
• 模式 “c”，它创建一个新内存段，或者如果该内存段已存在，尝试打开它进行读写
• 模式 “n”，它创建一个新内存段，如果该内存段已存在，则会失败

第三个参数是内存段的权限。您必须在这里提供一个八进制值。

第四个参数提供内存段大小，以字节为单位。在写入一个内存段之前，您必须在它之上分配适当的字节数。

请注意，此函数返回一个 ID 编号，其他函数可使用该 ID 编号操作该共享内存段。这个 ID 是共享内存访问 ID，与系统 ID 不同，它以参数的形式传递。请注意不要混淆这两者。如果失败，shmop_open 将返回 FALSE。

向内存段写入数据

使用 shmop_write 函数向共享内存块写入数据。此函数的使用很简单，它仅接受 3 个参数，如清单 2 所示。

清单 2. 使用 shmop_write 向共享内存块写入数据

				
<?php

$shmid = shmop_open(864, 'c', 0755, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);

?>

 

这个函数类似于 fwrite 函数，后者有两个参数：打开的流资源（由 fopen 返回）和您希望写入的数据。shmop_write 函数也执行此任务。

第一个参数是 shmop_open 返回的 ID，它识别您操作的共享内存块。第二个参数是您希望存储的数据，最后的第三个参数是您希望开始写入的位置。默认情况下，我们始终使用 0 来表示开始写入的位置。请注意，此函数在失败时会返回 FALSE，在成功时会返回写入的字节数。

从内存段读取数据

从共享内存段读取数据很简单。您只需要一个打开的内存段和 shmop_read 函数。此函数接受一些参数，工作原理类似于 fread。参见清单 3，读取一个 PHP 文件的内容。

清单 3. 使用 shmop_read 读取一个文件的内容

				
<?php

$stream = fopen('file.txt', 'r+');
fwrite($stream, "Hello World!");
echo fread($stream, 11);

?>

 

读取共享内存段的内容的过程与此类似，如清单 4 所示：

清单 4. 读取共享内存段的内容

				
<?php

$shmid = shmop_open(864, 'c', 0755, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);
echo shmop_read($shmid, 0, 11);

?>

 

请留意这里的参数。shmop_read 函数将接受 shmop_open 返回的 ID，我们已知道它，不过它还接受另外两个参数。第二个参数是您希望从内存段读取的位置，而第三个是您希望读取的字节数。第二个参数可以始终为 0，表示数据的开头，但第三个参数可能存在问题，因为我们不知道我们希望读取多少字节。

这非常类似于我们在 fread 函数中的行为，该函数接受两个参数：打开的流资源（由 fopen 返回）和您希望从该流读取的字节数。使用 filesize 函数（它返回一个文件中的字节数）来完整地读取它。

幸运的是，当使用共享内存段时，shmop_size 函数返回一个内存段的大小（以字节为单位），类似于 filesize 函数。参见清单 5。

清单 5. shmop_size 函数返回内存段大小，以字节为单位

				
<?php

$shmid = shmop_open(864, 'c', 0755, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);

$size = shmop_size($shmid);
echo shmop_read($shmid, 0, $size);

?>

 

删除内存段

我们学习了如何打开、写入和读取共享内存段。要完成我们的 CRUD 类，我们还需要学习如何删除内存段。该任务可使用 shmop_delete 函数轻松完成，该函数仅接受一个参数：我们希望删除的共享内存 ID。

清单 6. shmop_delete 标记要删除的内存段

				
<?php

$shmid = shmop_open(864, 'c', 0755, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);
shmop_delete($shmid);

?>

 

这不会实际删除该内存段。它将该内存段标记为删除，因为共享内存段在有其他进程正在使用它时无法被删除。shmop_delete 函数将该内存段标记为删除，阻止任何其他进程打开它。要删除它，我们需要关闭该内存段。

 

关闭内存段

打开一个共享内存段会 “附加” 到它。附加该内存段之后，我们可在其中进行读取和写入，但完成操作后，我们必须从它解除。这使用清单 7 中的 shmop_close 函数来完成。

这非常类似于处理文件时的 fclose 函数。打开包含一个文件的流并在其中读取或写入数据后，我们必须关闭它，否则将发生锁定。

清单 7. 使用 shmop_close 与一个内存段分开

				
<?php

$shmid = shmop_open(864, 'c', 0755, 1024);
shmop_write($shmid, "Hello World!", 0);
shmop_delete($shmid);
shmop_close($shmid);

?>

 

使用共享内存作为一个存储选项

有了共享内存和共享内存段上基本 CRUD 操作的基本知识，是时候应用此知识了。我们可以使用共享内存作为一种独特的存储选项，提供快速读/写操作和进程互操作性等优势。对于 Web 应用程序，这意味着：

• 缓存存储（数据库查询、Web 服务数据、外部数据）
• 会话存储
• 应用程序之间的数据交换

在继续之前，我想介绍一个名为 SimpleSHM 小型库。SimpleSHM 是一个较小的抽象层，用于使用 PHP 操作共享内存，支持以一种面向对象的方式轻松操作内存段。在编写使用共享内存进行存储的小型应用程序时，这个库可帮助创建非常简洁的代码。要了解 SimpleSHM，请访问 GitHub 页面。

您可以使用 3 个方法进行处理：读、写和删除。从该类中简单地实例化一个对象，可以控制打开的共享内存段。清单 8 展示了基本用途。

清单 8. SimpleSHM 基本用途

				
<?php

$memory = new SimpleSHM;
$memory->write('Sample');
echo $memory->read();

?>

 

请注意，这里没有为该类传递一个 ID。如果没有传递 ID，它将随机选择一个编号并打开该编号的新内存段。我们可以以参数的形式传递一个编号，供构造函数打开现有的内存段，或者创建一个具有特定 ID 的内存段，如清单 9 所示。

清单 9. 打开一个特定的内存段

				

<?php

$new = new SimpleSHM(897);
$new->write('Sample');
echo $new->read();

?>

 

神奇的方法 __destructor 负责在该内存段上调用 shmop_close 来取消设置对象，以与该内存段分离。我们将这称为 “SimpleSHM 101”。现在让我们将此方法用于更高级的用途：使用共享内存作为存储。存储数据集需要序列化，因为数组或对象无法存储在内存中。尽管这里使用了 JSON 来序列化，但任何其他方法（比如 XML 或内置的 PHP 序列化功能）也已足够。清单 10 给出了一个示例。

清单 10. 使用共享内存作为存储

				
<?php

require('SimpleSHM.class.php');

$results = array(
	'user' => 'John',
	'password' => '123456',
	'posts' => array('My name is John', 'My name is not John')
);

$data = json_encode($results);

$memory = new SimpleSHM;
$memory->write($data);
$storedarray = json_decode($memory->read());

print_r($storedarray);

?>

 

我们成功地将一个数组序列化为一个 JSON 字符串，将它存储在共享内存块中，从中读取数据，去序列化 JSON 字符串，并显示存储的数组。这看起来很简单，但请想象一下这个代码片段带来的可能性。您可以使用它存储 Web 服务请求、数据库查询或者甚至模板引擎缓存的结果。在内存中读取和写入将带来比在磁盘中读取和写入更高的性能。

使用此存储技术不仅对缓存有用，也对应用程序之间的数据交换也有用，只要数据以两端都可读的格式存储。不要低估共享内存在 Web 应用程序中的力量。可采用许多不同的方式来巧妙地实现这种存储，惟一的限制是开发人员的创造力和技能。

结束语

本文介绍了用于操作共享内存段的 PHP 工具包中的大部分工具，解释了共享内存的工作原理。此外，还提供了改进 Web 应用程序的建议，列出了在为 Web 应用程序问题创建解决方案时要考虑的一些因素。这些概念和实现指南可帮助您建立一个起点。我们构建的早期模型可帮助您构想更复杂的特性和解决方案。

来源：http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-php-shared-memory/