深入理解php的输出缓冲区(output buffer)

程序人生
这篇文章是翻译自Julien Pauli的博客文章PHP output buffer in deep,Julien是PHP源码的资深开发和维护人员。这篇文章从多个方面讲解了PHP中的输出缓冲区以及怎么使用它。输出缓冲区可能一直都是PHP开发人员的一个盲点,很多人可能只是知道这个东西,而且也知道大概怎么使用,但对于它为什么是这个样子,以及还可能是其他什么样子,可能并不了解,这篇文章可以解决你的所有困惑!

引言

大家都知道PHP中有一个名为“输出缓冲区”层(layer)的东西。这篇文章就是来讲解它到底是个什么东西的?PHP内部是怎么实现它的?以及在PHP程序中怎么使用它?这个层并不复杂,但经常会被误解,很多PHP开发者并没有完成掌握它。今天我们就一起来彻底把它搞清楚吧。

我们要讨论的东西是基于PHP 5.4(及以上版本),PHP中的OB层从5.4版开始就发生了很多变化,确切说是完全重写了,有些地方可能都不兼容PHP 5.3了。

什么是输出缓冲区?

PHP的输出流包含很多字节,通常都是程序员要PHP输出的文本,这些文本大多是echo语句或者printf()函数输出的。对于PHP中的输出缓冲区,你要知道三点内容。

第一点是任何会输出点什么东西的函数都会用到输出缓冲区,当然这说的是用PHP写的程序。如果你是编写PHP扩展,你使用的函数(C函数)可能会直接将输出写到SAPI缓冲区层,而不需要经过OB层。你可以在源文件main/php_output.h中了解到这些C函数的API文档,这个文件给我们提供了很多其他的信息,例如默认的缓冲区大小。

第二点你需要知道的是输出缓冲区层不是唯一用于缓冲输出的层,它实际上只是很多层中的一个。最后一点你要记住输出缓冲区层的行为跟你使用的SAPI(web或cli)相关,不同的SAPI可能有不同的行为。我们先通过一个图片来看看这些层的关系:

上面这张图片展示了PHP中的三种缓冲区层的逻辑关系。上面的两层就是我们通常所认识到的“输出缓冲区”,最后一个是SAPI中的输出缓冲区。这些都是PHP中的层,当输出的字节离开PHP进入计算机体系结构中的更底层时,缓冲区又会不断出现(终端缓冲区(terminal buffer),fast-cgi缓冲区,web服务器缓冲区,OS缓冲区,TCP/IP栈缓冲区。。。)。请记住一个通用原则,除了这篇文章中讨论的PHP中的情况外,一个软件的很多部分都会先保留信息,然后再把它们传递到下一部分,直到最终把这些信息传递给用户。

CLI的SAPI有点特殊,这里重点讲一下。CLI会将INI配置中的output_buffer选项强制设置为0,这表示禁用默认PHP输出缓冲区。所以在CLI中,默认情况下你要输出的东西会直接传递到SAPI层,除非你手动调用ob_()类函数。并且在CLI中,implicit_flush的值也会被设置为1。我们经常会搞不清implicit_flush的作用,源代码已说明一切:当implicit_flush被设置为打开(值为1),一旦有任何输出写入到SAPI缓冲区层,它都会立即刷新(flush,意思是把这些数据写入到更低层,并且缓冲区会被清空)。换句话说就是:任何时候当你写入任何数据到CLI SAPI中时,CLI SAPI都会立即将这些数据扔到它的下一层去,一般会是标准输出管道,write()fflush()这两个函数就是负责干这个事情的。简单,对吧!

默认PHP输出缓冲区

如果你使用不同于CLI的SAPI,像PHP-FPM,你会用到下面三个跟缓冲区相关的INI配置选项:

  • output_buffering
  • implicit_flush
  • output_handler

在搞清楚这几个选项的含义之前,有一点需要先说明下,不能在运行时使用ini_set()改这几个选项的值。这些选项的值会在PHP程序启动的时候,还没有运行任何脚本之前解析,所以也许在运行时可以使用ini_set()改变它们的值,但改变后的值并不会生效,一切都已经太迟了,因为输出缓冲区层已经启动并已激活。你只能通过编辑php.ini文件或者是在执行PHP程序的时候使用-d选项才能改变它们的值。

默认情况下,PHP发行版会在php.ini中把output_buffering设置为4096个字节。如果你不使用任何php.ini文件(或者也不会在启动PHP的时候使用-d选项),它的默认值将为0,这表示禁用输出缓冲区。如果你将它的值设置为“ON”,那么默认的输出缓冲区的大小将是16kb。你可能已经猜到了,在web应用环境中对输出的内容使用缓冲区对性能有好处。默认的4k的设置是一个合适的值,这意味着你可以先写入4096个ASCII字符,然后再跟下面的SAPI层通信。并且在web应用环境中,通过socket一个字节一个字节的传输消息的方式对性能并不好。更好的方式是把所有内容一次性传输给服务器,或者至少是一块一块地传输。层与层之间的数据交换的次数越少,性能越好。你应该总是保持输出缓冲区处于可用状态,PHP会负责在请求结束后把它们中的内容传输给终端用户,你不用做任何事情。

implicit_flush已在前面谈论CLI的时候提到过。对于其他的SAPI,implicit_flush默认被设置为关闭(off),这是正确的设置,因为只要有新数据写入就刷新SAPI的做法很可能并非你所希望的。对于FastCGI协议,刷新操作(flushing)是每次写入后都发送一个FastCGI数组包(packet),如果发送数据包之前先把FastCGI的缓冲区写满会更好一些。如果你想手动刷新SAPI的缓冲区,使用PHP的flush()函数。如果你想写一次就刷新一次,你可以设置INI配置中的implicit_flush选项,或者调用一次ob_implicit_flush()函数。

output_handler是一个回调函数,它可以在缓冲区刷新之前修改缓冲区中的内容。PHP的扩展提供了很多回调函数(用户也可以自己编写回调函数,下面会讲到)。

  • ob_gzhandler : 使用ext/zlib压缩输出
  • mb_output_handler : 使用ext/mbstring转换字符编码
  • ob_iconv_handler : 使用ext/iconv转换字符编码
  • ob_tidyhandler : 使用ext/tidy整理输出的HTML文本
  • ob_[inflate/deflate]_handler : 使用ext/http压缩输出
  • ob_etaghandler : 使用ext/http自动生成HTTP的Etag

缓冲区中的内容会传递给你选择的回调函数(只能用一个)来执行内容转换的工作,所以如果你想获取PHP传输给web服务器以及用户的内容,你可以使用输出缓冲区回调。当前有一点也需要提一下,这里说的“输出”指的是消息头(headers)和消息体(body)。HTTP的消息头也是OB层的一部分。

消息头和消息体

当你使用一个输出缓冲区(无论是用户的,还是PHP的)的时候,你可能想以你希望的方式发送HTTP消息头和内容。你知道任何协议都必须在发送消息体之前发送消息头(这也是为什么叫做“头”),但是如果你使用了输出缓冲区层,那么PHP会接管这些,而不需要你操心。实际上,任何跟消息头的输出有关的PHP函数(header(),setcookie(),session_start())都使用了内部的sapi_header_op()函数,这个函数只会把内容写入到消息头缓冲区中。然后当你输出内容是,例如使用printf(),这些内容会写入到输出缓冲区(假设只有一个)。当这个输出缓冲区中的内容需要被发送时,PHP会先发送消息头,然后发送消息体。PHP为你搞定了所有的事情。如果你觉得不爽,想自己动手,那你就只有把输出缓冲区禁用掉,除此之外别无他法。

用户输出缓冲区(user output buffers)

对于用户输出缓冲区,我们先通过一个示例来看看它是怎么工作的,以及你可以用它来做什么。再强调一下,如果你想使用默认PHP输出缓冲区层的话,你不能使用CLI,因为它已禁用了这个层。下面的这个示例用的就是默认PHP输出缓冲区,使用了PHP的内部web服务器SAPI:

/* launched via php -doutput_buffering=32 -dimplicit_flush=1 -S127.0.0.1:8080 -t/var/www */
echo str_repeat('a', 31);
sleep(3);
echo 'b';
sleep(3);
echo 'c';

在这个示例中,启动PHP的时候将默认输出缓冲区的大小设置为32字节,程序运行后会先向其中写入31个字节,然后进入睡眠状态。此时屏幕是空的,什么都不会输出,跟预计一样。2秒之后睡眠结束,再写入了一个字节,这个字节填满了缓冲区,它会立即刷新自身,把里面的数据传递给SAPI层的缓冲区,因为我们将implicit_flush设置为1,所以SAPI层的缓冲区也会立即刷新到下一层。字符串’aaaaaaaaaa{31个a}b’会出现在屏幕上,然后脚本再次进入睡眠状态。2秒之后,再输出一个字节,此时缓冲区中有31个空字节,但是PHP脚本已执行完毕,所以包含这1个字节的缓冲区也会立即刷新,从而会在屏幕上输出字符串’c’。

从这个示例我们可以看到默认PHP输出缓冲区是如何工作的。我们没有调用任何跟缓冲区相关的函数,但这并不意味这它不存在,你要认识到它就存在当前程序的运行环境中(在非CLI模式中才有效)。

OK,现在开始讨论用户输出缓冲区,它通过调用ob_start()创建,我们可以创建很多这种缓冲区(至到内存耗尽为止),这些缓冲区组成一个堆栈结构,每个新建缓冲区都会堆叠到之前的缓冲区上,每当它被填满或者溢出,都会执行刷新操作,然后把其中的数据传递给下一个缓冲区。

ob_start(function($ctc) { static $a = 0; return $a++ . '- ' . $ctc . "\n";}, 10);
ob_start(function($ctc) { return ucfirst($ctc); }, 3);
echo "fo";
sleep(2);
echo 'o';
sleep(2);
echo "barbazz";
sleep(2);
echo "hello";
/* 0- FooBarbazz\n 1- Hello\n */
在此我代替原作者讲解下这个示例。我们假设第一个ob_start创建的用户缓冲区为缓冲区1,第二个ob_start创建的为缓冲区2。按照栈的后进先出原则,任何输出都会先存放到缓冲区2中。
缓冲区2的大小为3个字节,所以第一个echo语句输出的字符串'fo'(2个字节)会先存放在缓冲区2中,还差一个字符,当第二echo语句输出的'o'后,缓冲区2满了,所以它会刷新(flush),在刷新之前会先调用ob_start()的回调函数,这个函数会将缓冲区内的字符串的首字母转换为大写,所以输出为'Foo'。然后它会被保存在缓冲区1中,缓冲区1的大小为10。
第三个echo语句会输出'barbazz',它还是会先放到缓冲区1中,这个字符串有7个字节,缓冲区1已经溢出了,所以它会立即刷新,调用回调函数得到的结果为'Barbazz',然后被传递到缓冲区2中。这个时候缓冲区2中保存了'FooBarbazz',10个字符,缓冲区1会刷新,同样的先会调用ob_start()的回调函数,缓冲区1的回调函数会在字符串前面添加行号,以及在尾部添加一个回车符,所以输出的第一行是'o- FooBarbazz'。
最后一个echo语句输出了字符串'hello',它大于3个字符,所以会触发缓冲区2刷新,因为此时脚本已执行完毕,所以也会立即刷新缓冲区1,最终得到的第二行输出为'1- Hello'。

输出缓冲区的内部实现

自5.4版后,整个缓冲区层都被重写了(由Michael Wallner完成)。之前的代码很垃圾,很多事情都做不了,并且有很多bug。这篇文章会给你提供更多相关信息。所以PHP 5.4才会对这部分进行重新,现在的设计更好,代码也更整洁,添加了一些新特性,跟5.3版的不兼容问题也很少。赞一个!

其中最赞的一个特性是扩展可以声明它自己的输出缓冲区回调与其他扩展提供的回调冲突。在此之前,这是不可能的,之前如果要开发使用输出缓冲区的扩展,必须先搞清楚所有其他提供了缓冲区回调的扩展可能带来的影响。

下面是一个简单的示例,它展示了怎样注册一个回调函数来将缓冲区中的字符转换为大写,这个示例的代码可能不是很好,但是足以满足我们的目的:

#ifdef HAVE_CONFIG_H
#include "config.h"
#endif
#include "php.h"
#include "php_ini.h"
#include "main/php_output.h"
#include "php_myext.h"
static int myext_output_handler(void **nothing, php_output_context *output_context)
{
    char *dup = NULL;
    dup = estrndup(output_context->in.data, output_context->in.used);
    php_strtoupper(dup, output_context->in.used);
    output_context->out.data = dup;
    output_context->out.used = output_context->in.used;
    output_context->out.free = 1;
    return SUCCESS;
}
PHP_RINIT_FUNCTION(myext)
{
    php_output_handler *handler;
    handler = php_output_handler_create_internal("myext handler", sizeof("myext handler") -1, myext_output_handler, /* PHP_OUTPUT_HANDLER_DEFAULT_SIZE */ 128, PHP_OUTPUT_HANDLER_STDFLAGS);
    php_output_handler_start(handler);
    return SUCCESS;
}
zend_module_entry myext_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "myext",
    NULL, /* Function entries */
    NULL,
    NULL, /* Module shutdown */
    PHP_RINIT(myext), /* Request init */
    NULL, /* Request shutdown */
    NULL, /* Module information */
    "0.1", /* Replace with version number for your extension */
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};
#ifdef COMPILE_DL_MYEXT
ZEND_GET_MODULE(myext)
#endif

陷阱

大部分陷阱都已经揭示出来了。有一些是逻辑的问题,有一些是隐藏的。逻辑方面,最明显的是你不应该在输出缓冲区回调函数内调用任何缓冲区相关的函数,也不要在回调函数中输出任何东西。

相对不太明显的是有些PHP的内部函数也使用了输出缓冲区,它们会叠加到其他的缓冲区上,这些函数会填满自己的缓冲区然后刷新,或者是返回里面的内容。print_r()、highlight_file()和highlight_file::handle()都是这类函数。你不应该在输出缓冲区的回调函数中使用这些函数。这种行为会导致未定义的错误,或者至少得不到你期望的结果。

总结

输出层(output layer)就像一个网,它会把所有从PHP”遗漏“的输出圈起来,然后把它们保存到一个大小固定的缓冲区中。当缓冲区被填满了的时,里面的内容会刷新(写入)到下一层(如果有的话),或者是写入到下面的逻辑层:SAPI缓冲区。开发人员可以控制缓冲区的数量、大小以及在每个缓冲区层可以执行的操作(清除、刷新和删除)。这种方式非常灵活,它允许库和框架设计者可以完全控制它们自己输出的内容,并把它们放到一个全局的缓冲区中。对于输出,我们需要知道任何输出流的内容和任何HTTP消息头,PHP都会以正确的顺序发送它们。

输出缓冲区也有一个默认缓冲区,可以通过设置3个INI配置选项来控制它,它们是为了防止出现过大量的细小的写入操作,从而造成访问SAPI层过于频繁,这样网络消耗会很大,不利于性能。PHP的扩展也可以定义回调函数,然后在每个缓冲区上执行这个回调,这种应用已经有很多了,例如执行数据压缩,HTTP消息头管理以及搞很多其他的事情。

转自:https://gywbd.github.io/posts/2015/1/php-output-buffer-in-deep.html
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