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剖析php脚本的超时机制

星期日, 2019-04-21 22:44 — adminshiping1

在做php开发的时候，经常会设置max_input_time、max_execution_time，用来控制脚本的超时时间。但却从来没有思考过背后的原理。

趁着这两天有空，研究一下这个问题。文中源码取自php5.4.44版本。

超时配置

php的ini配置如何起作用，这是一个老生常谈的话题了。

首先，我们在php.ini里进行配置。当php启动的时候（php_module_startup阶段），会尝试读取ini文件并解析。解析过程简单来说，是分析ini文件，提取出其中合法的键值对，并保存到configuration_hash表。

OK，然后php会进一步调用zend_startup_extensions来启动各个模块（包含php Core模块，以及所有需要加载的扩展）。各个模块的启动函数中，会完成REGISTER_INI_ENTRIES动作。REGISTER_INI_ENTRIES负责将模块对应的一些配置从configuration_hash表取出，然后调用处理函数，最终将处理完的值存入模块的globals变量。

max_input_time、max_execution_time这两个配置属于php Core模块。对于php Core来说，REGISTER_INI_ENTRIES依然发生在php_module_startup中。同样属于php Core模块的配置还有expose_php、display_errors、memory_limit等等...

示意图如下：

---->php_module_startup----------->php_request_startup---->
        |
        |
        |-->REGISTER_INI_ENTRIES
        |
        |
        |-->zend_startup_extensions
        |          |
        |          |-->zm_startup_date
        |          |         |-->REGISTER_INI_ENTRIES
        |          |
        |          |-->zm_startup_json
        |          |         |-->REGISTER_INI_ENTRIES
        |
        |
        |-->do otherthings

 

上面说到对于不同的配置，REGISTER_INI_ENTRIES会调用不同的函数来处理。我们直接来看max_execution_time对应的函数：

static PHP_INI_MH(OnUpdateTimeout)
{
    // php启动阶段走这里
    if (stage == PHP_INI_STAGE_STARTUP) {
        // 将超时设置保存到EG(timeout_seconds)中
        EG(timeout_seconds) = atoi(new_value);
        return SUCCESS;
    }

    // php执行过程中的ini set则走这里
    zend_unset_timeout(TSRMLS_C);
    EG(timeout_seconds) = atoi(new_value);
    zend_set_timeout(EG(timeout_seconds), 0);
    return SUCCESS;
}

暂时只看上半截，因为我们目前只需关注php的启动阶段，该函数行为很简单，将max_execution_time存入了EG(timeout_seconds)。

至于max_input_time，并没有特殊的处理函数，默认是会将max_input_time存入存入PG(max_input_time)。

因此，当REGISTER_INI_ENTRIES完成，发生的是：

max_execution_time ----> 存入EG(timeout_seconds)

max_input_time       ----> 存入PG(max_input_time)

请求超时控制

现在我们搞清楚php的启动阶段发生了什么，继续来看php在实际处理请求的时候，如何管理超时。

在php_request_startup函数中有如下代码：

if (PG(max_input_time) == -1) {
    zend_set_timeout(EG(timeout_seconds), 1);
} else {
    zend_set_timeout(PG(max_input_time), 1);
}

php_request_startup的时机很讲究。

以cgi为例，只有当php已经从CGI拿到了原始请求以及一些CGI的环境变量之后，php_request_startup才会被调用。上面这段代码实际执行的时候，由于请求已经拿到，所以SG(request_info)处于准备就绪状态，但是php中的$_GET，$_POST，$_FILE等超全局变量尚未生成。

从代码上理解：

1、如果用户将max_input_time配做-1，或没有配置，那么脚本的生命周期就只受EG(timeout_seconds)约束。

2、否则，请求启动阶段的超时控制，受PG(max_input_time)约束。

3、zend_set_timeout函数负责设置定时器。一旦指定时间过去，定时器会通知php进程。zend_set_timeout下文会具体分析。

 

php_request_startup完成，则进入php的实际执行阶段，即php_execute_script。在php_execute_script中可以看到：

// 设定执行超时
if (PG(max_input_time) != -1) {
#ifdef PHP_WIN32
    zend_unset_timeout(TSRMLS_C); // 关闭之前的定时器
#endif
    zend_set_timeout(INI_INT("max_execution_time"), 0);
}

// 进入执行
retval = (zend_execute_scripts(ZEND_REQUIRE TSRMLS_CC, NULL, 3, prepend_file_p, primary_file, append_file_p) == SUCCESS);

OK，假如代码执行到这里，尚未发生max_input_time超时，则会重新指定max_execution_time的超时。

同样也是采取调用zend_set_timeout，并传入max_execution_time。特别注意一下，windows下面的需要显式调用zend_unset_timeout关闭原来的定时器，而linux下不需要。这是由于两个平台的定时器实现原理不同导致的，下文也会详细展开叙述。

最后用一张图表示超时控制的流程，左侧的case表明用户既配置了max_input_time，又配置了max_execution_time。而右侧的区别在于用户仅仅配置了max_execution_time：

 

zend_set_timeout

前文提到，zend_set_timeout函数用来设置定时器。具体来看下实现：

void zend_set_timeout(long seconds, int reset_signals) /* {{{ */
{
    TSRMLS_FETCH();

    // 赋值
    EG(timeout_seconds) = seconds;

#ifdef ZEND_WIN32
    if(!seconds) {
        return;
    }
    
    // 启动定时器线程
    if (timeout_thread_initialized == 0 && InterlockedIncrement(&timeout_thread_initialized) == 1) {
        /* We start up this process-wide thread here and not in zend_startup(), because if Zend
         * is initialized inside a DllMain(), you're not supposed to start threads from it.
         */
        zend_init_timeout_thread();
    }
    
    // 向线程发送WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT消息
    PostThreadMessage(timeout_thread_id, WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT, (WPARAM) GetCurrentThreadId(),(LPARAM) seconds);
#else

    // linux平台下
    struct itimerval t_r;        /* timeout requested */
    int signo;

    if (seconds) {
        t_r.it_value.tv_sec = seconds;
        t_r.it_value.tv_usec = t_r.it_interval.tv_sec = t_r.it_interval.tv_usec = 0;

        // 设置定时器，seconds秒后会发送SIGPROF信号
        setitimer(ITIMER_PROF, &t_r, NULL);
    }
    signo = SIGPROF;

    if (reset_signals) {
        sigset_t sigset;

        // 设置SIGPROF信号对应的处理函数为zend_timeout
        signal(signo, zend_timeout);
        
        // 防屏蔽
        sigemptyset(&sigset);
        sigaddset(&sigset, signo);
        sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigset, NULL);
    }
#endif
}

上述实现基本上可以完全分成两种平台：

  • 先看linux：

linux下的定时器要容易许多，调用setitimer函数就行，此外，zend_set_timeout还设定了SIGPROF信号的handler为zend_timeout。

注意，调用setitimer的时候，将it_interval设置成0，表明这个定时器只触发一次，而不会每隔一段时间触发一次。setitimer可以以三种方式计时，php中采用的是ITIMER_PROF，它同时计算了用户代码和内核代码的执行时间。一旦时间到了，会产生SIGPROF信号。

当php进程接收到SIGPROF信号，不管当前正在执行什么，都会跳转进入到zend_timeout。zend_timeout才是实际处理超时的函数。

  • 再看windows：

首先会启动一个子线程，该线程主要用于设置定时器，同时维护EG(timed_out)变量。

子线程一旦生成，主线程便会向子线程发送一条消息：WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT。子线程接收到WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT之后，产生一个定时器并开始计时。同时，子线程会设置EG(timed_out) = 0。这很重要！windows平台下正是通过判断EG(timed_out)是否为1，来决定是否超时。

如果定时器到时间了，子线程收到WM_TIMER消息，则取消定时器，并且设置EG(timed_out) = 1。

如果需要关闭定时器，则子线程会收到WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT消息。关闭定时器，并不会改变EG(timed_out)。

相关代码还是很清晰的：

static LRESULT CALLBACK zend_timeout_WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
    switch (message) {
        case WM_DESTROY:
            PostQuitMessage(0);
            break;
        
        // 生成一个定时器，开始计时
        case WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT:
            /* wParam is the thread id pointer, lParam is the timeout amount in seconds */
            if (lParam == 0) {
                KillTimer(timeout_window, wParam);
            } else {
                SetTimer(timeout_window, wParam, lParam*1000, NULL);
                EG(timed_out) = 0;
            }
            break;
        
        // 关闭定时器
        case WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT:
            /* wParam is the thread id pointer */
            KillTimer(timeout_window, wParam);
            break;
        
        // 超时了，也需关闭定时器
        case WM_TIMER: {
                KillTimer(timeout_window, wParam);
                EG(timed_out) = 1;
            }
            break;
        default:
            return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);
    }
    return 0;
}

根据上文描述，最终都是需要跳转到zend_timeout来处理超时的。那windows下如何进入zend_timeout呢？

window下仅在execute函数中（zend_vm_execute.h刚开始的地方），可以看到调用zend_timeout：

while (1) {
    int ret;
#ifdef ZEND_WIN32
    if (EG(timed_out)) {   // windows下的超时，执行每条opcode之前都判断是否需要调用zend_timeout
        zend_timeout(0);
    }
#endif

    if ((ret = OPLINE->handler(execute_data TSRMLS_CC)) > 0) {
    ...
    }
}

上述代码可以看到：

在windows下，每执行完成一条opcode指令，就会进行一次超时判断。

因为主线程执行opcode的同时，子线程可能已经发生超时，而windows并没有什么机制可以让主线程停止手头的工作，直接跳入zend_timeout。所以只好利用子线程先将EG(timed_out)设置为1，然后主线程在等到当前opcode执行完成、进入下一条opcode之前，判断一下EG(timed_out)再调用zend_timeout。

因此准确的讲，windows的超时，其实是有一点点延时的。至少在某一个opcode执行的过程中，无法被打断。当然，正常情况下，单条opcode的执行时间会很短。但是可以很容易人为构造出一些很耗时的函数，使得function call需要等待较长时间。此时，如果子线程判断出超时了，则还需要经过漫长的等待，直到主线程完成该条opcode之后，才能调用zend_timeout。

zend_unset_timeout

void zend_unset_timeout(TSRMLS_D) /* {{{ */
{
#ifdef ZEND_WIN32
    
    // 通过发送WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT消息来关闭定时器
    if(timeout_thread_initialized) {
        PostThreadMessage(timeout_thread_id, WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT, (WPARAM) GetCurrentThreadId(), (LPARAM) 0);
    }
#else
    if (EG(timeout_seconds)) {
        struct itimerval no_timeout;
        no_timeout.it_value.tv_sec = no_timeout.it_value.tv_usec = no_timeout.it_interval.tv_sec = no_timeout.it_interval.tv_usec = 0;
        
        // 全置0，相当于关闭定时器
        setitimer(ITIMER_PROF, &no_timeout, NULL);
    }
#endif
}

zend_unset_timeout同样分成两种平台的实现。

  • 先看linux：

linux下的关闭定时器也很简单。只要将struct itimerval中的4个值都设置为0，就行了。

  • 再看windows：

由于windows是利用一个独立的线程来计时。因此，zend_unset_timeout会向该线程发送WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT消息。WM_UNREGISTER_ZEND_TIMEOUT对应的动作是去调用KillTimer来关闭定时器。注意，线程本身并不退出。

前文留下了一个问题，在php_execute_script中，windows下面要显示调用zend_unset_timeout来关闭定时器，而linux下不需要。因为对于一个linux进程来说，只能存在一个setitimer定时器。也就是说，重复调用setitimer，后面的定时器会直接覆盖前面的。

zend_timeout

ZEND_API void zend_timeout(int dummy) /* {{{ */
{
    TSRMLS_FETCH();

    if (zend_on_timeout) {
        zend_on_timeout(EG(timeout_seconds) TSRMLS_CC);
    }

    zend_error(E_ERROR, "Maximum execution time of %d second%s exceeded", EG(timeout_seconds), EG(timeout_seconds) == 1 ? "" : "s");
}

如前文所述，zend_timeout是实际处理超时的函数。它的实现也很简单。

如果有配置exit_on_timeout，则zend_on_timeout会尝试调用sapi_terminate_process关闭sapi进程。如果无需exit_on_timeout，则直接进入zend_error进行出错处理。大部分情况下，我们并不会设置exit_on_timeout，毕竟我们期望的是虽然一个请求超时了，但是进程仍然保留下来，服务下一个请求。

zend_error除了会打印错误日志，还会利用longjump跳转到boilout指定的栈帧，一般是zend_end_try或者zend_catch宏所在的地方。关于longjump，可以另起一个话题，本文就不具体叙述了。在php_execute_script里面，zend_error会使得程序跳转到zend_end_try的位置然后继续执行。继续执行是指，会调用php_request_shutdown等函数来完成收尾工作。

直到这里，php脚本的超时机制算是讲清楚了。

windows下max_input_time的bug

最后来看一个疑似php内核的bug。回忆一下，之前有提到windows下只有一个地方调用了zend_timeout，就是execute函数里，准确讲是每条opcode执行之前。

那么，假如发生max_input_time类型的超时，即使子线程将EG(timed_out)被置为1，也得延迟到execute中才能进行超时处理。貌似一切正常。

而问题的关键之处便在于，我们并不能保证主线程执行到execute时，EG(timed_out)任然为1。一旦进入execute之前，EG(timed_out)被子线程修改成0，那么max_input_time类型的超时就永远不会被handle了。

为何EG(timed_out)会被子线程又修改为0呢？原因在于：php_execute_script中，调用了zend_set_timeout(INI_INT("max_execution_time"), 0)来设置定时器。

zend_set_timeout会向子线程发送WM_REGISTER_ZEND_TIMEOUT消息。子线程收到此消息，除了创建定时器之外，还会设置EG(timed_out) = 0（详见上文截取的zend_timeout_WndProc代码片段）。由于线程执行的不确定性，因此不能够判断主线程执行到execute的时候，子线程是否已接收到消息并设置EG(timed_out)为0。

如图所示，

如果execute中的判断发生在红线标注的时间点，则EG(timed_out)为1，execute会调用zend_timeout做超时处理。

如果execute中的判断发生在蓝线标注的时间点，则EG(timed_out)已被重置为0，max_input_time超时被彻底掩盖。

 

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