从CGI到FastCGI到PHP-FPM

背景

笔者在学习这几个名词的时候，也是被百度到的相关文章迷惑。涉及到的主要名词包括

1. CGI协议

2. CGI脚本

3. PHP-CGI

4. FastCGI协议

5. PHP-FPM

要真正理解这些名词，如果我们硬生生的解释，也很难记住。我们可以从web服务器开发的历程来看，看看他们为什么会出现，以及他们解决了什么问题。

早些年的简单服务器

早些年的服务器很简单，你访问一个网站，比如www.helloworld.com，网站只返回你一个静态HTML页面。为了简单起见，我们假设网站值返回hello标题，这样流程可以用下图表示

这时候server是采用C语言编写的，基本上一个简的C脚本就可以了，把这个服务器脚本命名为hello_server.c，代码可以到github上下载

在Linux环境中使用gcc编译hello_server.c

vagrant@kfz:~$ gcc hello_world.c

然后采用curl工具测试

vagrant@kfz:~$ curl "127.0.0.1:8887"

GET / HTTP/1.1

User-Agent: curl/7.49.1

Host: 127.0.0.1:8887

Accept: */*

Hello World

这里我们的重点不在HTTP响应的格式上，所以我们直接输出了Hello World，如果是请求静态页面，我们也是一样的思路，读取静态文件的内容然后返还给客户端。

思考：当Web时代越来越火爆，我们希望Web服务器有更多的功能，比如写博客，聊天，等等。同时，越来越多的不同领域的开发者想在web时代大显身手。很多服务器开发者发现有了以下缺点

#服务器功能方面

  Web服务器功能会随着这种逻辑的增长而增长，服务器会变的不专一

#语言支持方便

  越来越多的PHP，Python开发者想开发服务端程序，编写更多的功能，发现自己的语言无从下手

CGI协议与CGI程序

什么是CGI协议和CGI程序

既然Web服务器想做的专一，但又要支持Web的飞速发展，同时还想让其他语言开发者也能加入Web开发。所以，就出了一种方式，Web服务器和其他领域的开发者拟定一条协议，在保证遵守协议的基础上，剩下的可以自由发挥。没错，这条协议就是CGI协议，协议的内容可以查看，而实现这个协议的脚本叫做CGI程序。CGI协议规定了需要向CGI脚本设置的环境变量和一些其他信息，CGI程序完成某一个功能，可以用PHP，Python，Shell或者C语言编写。

这样的好处Web开发更加开放了，可以用任何开发者擅长的语言开发Web程序。比如，我是一个PHP开发者，用PHP有很多现成的库访问第三方服务，入MySQL，Memcache等，但是这些第三方服务使用C语言接入还是比较麻烦的。有了CGI协议，我们的Web处理流程可以变成下图这样

实现一个PHP版的CGI程序

一般情况下，我们把CGI程序放在cgi-bin目录下面，新建PHP版CGI处理程序cgi-bin/get_user.php，我们的服务器程序还是使用简单的hello_server.c。

目标：用户访问URL127.0.0.1:8887/cgi-bin/get_user.php?id=1的的时候输出用户ID为1的用户信息

实现：很显然，我们要解决两个问题

1. 在服务器程序hello_server.c中执行get_user.php文件

2. 服务器程序hello_server.c向get_user.php中传递请求信息(id=1)

第一个问题我们使用C库还是popen来运行php脚本，第二个问题在CGI协议中规定了我们的解决方案。首先需要将请求参数放在环境变量中，其次，环境变量的名字也规定好了。这里列举一些CGI协议规定的常用的环境变量,这里只列举一些，全部的内容可以协议明细

变量名	描述
CONTENT_TYPE	这个环境变量的值指示所传递来的信息的MIME类型。目前，环境变量CONTENT_TYPE一般都是：application/x-www-form-urlencoded,他表示数据来自于HTML表单
HTTP_USER_AGENT	提供包含了版本数或其他专有数据的客户浏览器信息
QUERY_STRING	如果服务器与CGI程序信息的传递方式是GET，这个环境变量的值即使所传递的信息。这个信息经跟在CGI程序名的后面，两者中间用一个问号'?'分隔
REQUEST_METHOD	提供脚本被调用的方法。对于使用 HTTP/1.0 协议的脚本，仅 GET 和 POST 有意义

所以，关于服务端怎么向CGI程序传递请求信息的问题就可以解释了。在服务端接收到用户请求的时候需要按照CGI协议通过putenv设置环境变量，然后PHP程序也是按照CGI协议解析环境变量(PHP中使用$_SERVER即可)。

程序的实现，可以在这里下载

最后需要说明的，当服务器执行php cgi-bin/get_user.php的时候，实际上是使用php的命令行模式执行的，因为PHP已经为我们封装好了环境变量，所以我们只需要从$_SERVER中就可以获取我们需要的环境变量。这里只为了说明问题，实际上PHP的sapi里面有单独实现cgi接口。当然你也可以用shell实现，shell的话是直接获取环境变量

CGI程序的缺点

CGI工作原理：每当客户请求CGI的时候，WEB服务器就请求操作系统生成一个新的CGI解释器进程，CGI进程则处理完一个请求后退出，下一个请求来时再创建新进程。我们知道，执行一个PHP程序的必须要先解析php.ini文件，然后模块初始化等等一系列工作，每次都反复这样非常浪费资源。当然，这样在访问量很少没有并发的情况也行。可是当访问量增大，并发存在，这种方式就不适合了。这也是CGI程序一个致命的缺点。

FastCGI协议和php-cgi

FastCGI协议

既然上面提到了CGI程序的一个致命缺陷，所以在CGI协议的基础上，又设计了FASTCGI协议

，协议的内容可以查看，概括一下，主要做了以下改变

1. FastCGI被设计用来支持常驻（long-lived）应用进程，减少了fork-and-execute带来的开销

2. FastCGI进程通过监听的socket，收来自Web服务器的连接，这样FastCGI进程可以独立部署

3. 服务器和FastCGI监听的socket之间按照消息的形式发送环境变量和其他数据

所以，我们称实现了FastCGI协议的程序为FastCGI程序，在php中的sapi/cgi/php-cgi实现了这个协议，虽然它的名字取名为php-cgi，但其实是支持FacsCGI协议的。所以，实现了FastCGI协议的服务器和FastCGI程序的交互方式如下图所示

PHP中FastCGI使用

可能很少人用过php-cgi，因为目前大家都使用php-fpm（先不讨论php-fpm）。这里介绍一下php-cgi的使用。

1.php-cgi如何启动监听socket

php-cgi可执行程序为编译后的php目录下面的sapi/cgi/php-cgi。通过-b参数指定需要监听的ip和端口即可，比如我们想绑定本机的9004端口

shell> ./php-cgi -b 127.0.0.1:9004

2.如何启动多个FastCGI进程

这里需要使用PHP_FCGI_CHILDREN环境变量表示派生多少个子进程，我们可以写一个shell来启动php-cgi，点击可以下载这个shell文件。注意替换成自己的cgi路径后再使用

3.通过shell脚本启动FastCGI管理器

执行start.sh脚本之后，可以查看到启动了多个FastCGI进程

shell> ps aux  | grep php-cgi | grep -v grep

vagrant   6785  0.0  0.0   1936   524 pts/3    S    01:07   0:00 sh -c /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6792  0.0  0.3  13760  3188 ?        Ss   01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6793  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6794  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6795  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6796  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6797  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6798  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6799  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

vagrant   6800  0.0  0.1  13760  1384 ?        S    01:07   0:00 /home/vagrant/php-5.5.10/sapi/cgi/php-cgi -b 127.0.0.1:9004

4.和Nginx配合测试

在Nginx配置文件中加上这一段

location ~ \.php$ {

    fastcgi_pass   127.0.0.1:9004;

    include        fastcgi.conf;

}

重启nginx之后就可以测试nginx访问php了。

php-cgi的的缺点

php-cgi实现的已经很完美了，但是我们的需求总是有点苛刻，导致它暴露了一下问题

当我们更改配置文件后，php-cgi显然无法平滑重启
我们fork的进程个数和请求量正比，请求繁忙时，fork进程多，动态调整，显然php-cgi没做到

spawn-fcgi和PHP-FPM

既然上面提及php-cgi实现的FastCGI问题官方没有解决。那自然有第三方做这个事情，我们可以使用Lighttpd的spawn-fcgi来管理php-cgi进程。注意，这里的spawn-fcgi是进程管理器，只是管理实现FastCGI协议的php-cgi，这个的安装和使用方式可以参照鸟哥的博客

还有一个做的比较好的，php-fpm，以前php-fpm并没有纳入php安装包文件中，只是在它的卓越表现，得到了越来越多的人认可，后面就被纳入了官方默认安装包文件中。php-fpm是从5.3开始才进入PHP源代码主干的，可以独立运行，不依赖php-cgi，换句话说，他自己实现了FastCGI协议。

所以，spawn-fcgi和PHP-FPM不是同一个东西，前者是进程管理器，后者却实现FastCGI协议并且支持进程平滑重启