Workerman协程编程:并发处理与性能优化

Workerman协程编程:并发处理与性能优化

【免费下载链接】workerman An asynchronous event driven PHP socket framework. Supports HTTP, Websocket, SSL and other custom protocols. 【免费下载链接】workerman 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/wo/workerman

本文深入探讨了Workerman框架中的协程编程机制,全面介绍了协程创建与调度、Barrier并发同步、Parallel并行计算以及Channel协程间通信四大核心组件。文章通过详细的代码示例和架构图解析,展示了如何利用Workerman的协程特性实现高效的并发处理和性能优化,涵盖了从基础概念到高级用法的完整知识体系,为PHP开发者构建高性能网络应用提供了实用指导。

Coroutine协程创建与调度机制

Workerman作为高性能的PHP异步事件驱动框架,在协程编程方面提供了强大的支持。协程是轻量级的用户态线程,能够在单线程内实现并发执行,极大地提升了I/O密集型应用的性能。Workerman通过多种事件循环驱动(Swoole、Swow、Fiber)来实现协程的创建与调度,为开发者提供了灵活的并发编程解决方案。

协程创建机制

Workerman支持多种方式创建协程,主要通过Coroutine::create()方法和事件循环的异步任务调度来实现。不同的驱动实现提供了统一的协程创建接口。

基础协程创建
use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Events\Swoole;
use Workerman\Worker;

$worker = new Worker('http://0.0.0.0:8000');
$worker->eventLoop = Swoole::class;

$worker->onMessage = function ($connection, $request) {
    // 创建协程执行异步任务
    Coroutine::create(function () {
        // 异步I/O操作
        $result = file_get_contents("http://api.example.com/data");
        echo "协程任务完成: " . substr($result, 0, 50) . "...\n";
    });
    
    $connection->send('协程已启动');
};
事件循环驱动的协程创建

不同的驱动实现采用不同的协程创建策略:

Swoole驱动实现:

// src/Events/Swoole.php
public function defer(callable $func, ...$args): void
{
    Coroutine::create(function() use ($func, $args) {
        $func(...$args);
    });
}

Swow驱动实现:

// src/Events/Swow.php  
public function defer(callable $func, ...$args): void
{
    Coroutine::run(function () use ($func, $args): void {
        $func(...$args);
    });
}

协程调度架构

Workerman的协程调度采用分层架构,通过事件循环接口统一管理不同驱动的协程实现:

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协程生命周期管理

Workerman提供了完整的协程生命周期管理机制,包括创建、执行、暂停和销毁:

协程状态转换

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协程取消与清理
// Swoole驱动的协程清理实现
public function exit(): void
{
    // 取消所有协程
    foreach (Coroutine::listCoroutines() as $coroutine) {
        Coroutine::cancel($coroutine);
    }
    // 等待协程退出
    usleep(10000);
}

协程调度策略

Workerman采用基于事件驱动的协程调度策略,通过事件循环监听I/O事件,实现协程的高效切换:

I/O事件监听与协程唤醒
// Swow驱动的读事件监听
public function onReadable($stream, callable $func): void
{
    $fd = (int)$stream;
    Coroutine::run(function () use ($stream, $func, $fd): void {
        $this->readEvents[$fd] = Coroutine::getCurrent();
        try {
            while (true) {
                // 等待读事件就绪
                if ($this->readEvents[$fd] !== Coroutine::getCurrent()) {
                    return;
                }
                $func($stream);
            }
        } finally {
            unset($this->readEvents[$fd]);
        }
    });
}
定时器与延迟调度

Workerman支持协程的延迟执行和定时调度:

// 延迟执行协程任务
public function delay(float $delay, callable $func, ...$args): int
{
    $t = microtime(true) + $delay;
    $coroutine = Coroutine::run(function () use ($t, $func, $args): void {
        $left = ($t - microtime(true)) * 1000000;
        if ($left > 0) {
            usleep((int)$left);
        }
        $func(...$args);
        unset($this->eventTimer[Coroutine::getCurrent()->getId()]);
    });
    return $coroutine->getId();
}

协程上下文管理

Workerman提供了协程上下文管理机制,确保每个协程拥有独立的执行环境:

use Workerman\Coroutine\Context;

// 获取当前协程上下文
$context = Context::get();

// 设置协程上下文数据
$context['user_id'] = 123;
$context['request_id'] = uniqid();

// 在不同协程中访问独立的上下文
Coroutine::create(function () {
    $localContext = Context::get();
    $localContext['task_id'] = 456;
    // 此处的上下文与其他协程隔离
});

性能优化策略

Workerman在协程调度方面采用了多种性能优化策略:

  1. 零拷贝调度:通过事件驱动减少上下文切换开销
  2. 批量处理:使用事件循环批量处理就绪的I/O事件
  3. 内存池:重用协程相关的数据结构减少内存分配
  4. 懒加载:按需创建协程,避免资源浪费
协程调度性能对比
调度方式创建开销上下文切换内存占用适用场景
传统线程CPU密集型
进程很高很高很高隔离环境
Workerman协程极低I/O密集型

最佳实践与注意事项

在使用Workerman协程时,需要注意以下最佳实践:

  1. 避免阻塞操作:在协程中避免使用同步阻塞函数
  2. 合理控制并发:根据系统资源限制协程数量
  3. 异常处理:确保协程内的异常被正确捕获和处理
  4. 资源释放:及时释放协程占用的资源,避免内存泄漏
// 正确的协程异常处理
Coroutine::create(function () {
    try {
        // 异步I/O操作
        $data = file_get_contents('http://example.com/api');
        processData($data);
    } catch (\Throwable $e) {
        // 记录异常日志
        error_log("协程执行失败: " . $e->getMessage());
    } finally {
        // 资源清理
        cleanupResources();
    }
});

Workerman的协程创建与调度机制为PHP开发者提供了强大的并发编程能力,通过事件驱动和协程技术的结合,实现了高性能的网络应用开发。合理利用这些机制,可以显著提升应用的并发处理能力和响应速度。

Barrier并发同步与任务协调

在Workerman协程编程中,Barrier是一个强大的并发控制工具,用于管理多个协程任务的同步执行。它允许开发者创建一组并发任务,并等待所有任务完成后再继续执行后续操作,这在需要并行处理多个独立任务并等待所有结果返回的场景中特别有用。

Barrier的核心概念

Barrier在并发编程中充当同步点的角色,其主要功能包括:

  • 任务分组:将多个并发任务组织为一个逻辑组
  • 同步等待:阻塞当前执行流直到所有关联任务完成
  • 错误处理:提供统一的异常处理机制
  • 资源管理:确保所有协程资源正确释放

Barrier的工作原理

Barrier通过引用计数机制来跟踪任务的完成状态。每个添加到Barrier的任务都会增加引用计数,当任务完成时减少计数。当引用计数归零时,Barrier解除阻塞,允许程序继续执行。

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Barrier的基本用法

在Workerman中使用Barrier需要遵循以下步骤:

  1. 创建Barrier实例:使用Barrier::create()方法创建同步屏障
  2. 启动并发任务:在协程中执行需要并行处理的操作
  3. 等待任务完成:调用Barrier::wait()阻塞等待所有任务完成
use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Coroutine\Barrier;

// 创建Barrier实例
$barrier = Barrier::create();

// 启动多个并发任务
for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
    Coroutine::create(function () use ($barrier, $i) {
        // 模拟耗时操作
        sleep(1);
        echo "任务 {$i} 完成\n";
    });
}

// 等待所有任务完成
Barrier::wait($barrier);
echo "所有任务已完成,继续执行...\n";

实际应用场景

1. 并行API调用

当需要同时调用多个外部API并等待所有响应时,Barrier可以显著提升性能:

use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Coroutine\Barrier;

$barrier = Barrier::create();

$apis = [
    'https://api.service1.com/data',
    'https://api.service2.com/info',
    'https://api.service3.com/stats'
];

foreach ($apis as $index => $apiUrl) {
    Coroutine::create(function () use ($barrier, $apiUrl, $index) {
        try {
            $response = file_get_contents($apiUrl);
            $results[$index] = json_decode($response, true);
        } catch (Exception $e) {
            $results[$index] = ['error' => $e->getMessage()];
        }
    });
}

Barrier::wait($barrier);
// 此时所有API调用已完成,可以处理$results数组
2. 数据库批量操作

在进行批量数据库操作时,使用Barrier可以并行执行多个写操作:

use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Coroutine\Barrier;

function batchInsertUsers($users) {
    $barrier = Barrier::create();
    $successCount = 0;
    
    foreach ($users as $user) {
        Coroutine::create(function () use ($barrier, $user, &$successCount) {
            try {
                $db->insert('users', $user);
                $successCount++;
            } catch (Exception $e) {
                // 记录错误但继续其他插入操作
                error_log("插入用户失败: " . $e->getMessage());
            }
        });
    }
    
    Barrier::wait($barrier);
    return $successCount;
}

Barrier与Parallel的对比

虽然Barrier和Parallel都用于并发控制,但它们在设计理念和使用场景上有所不同:

特性BarrierParallel
返回值不直接返回结果返回所有任务的结果数组
错误处理需要手动处理每个任务的异常自动收集所有异常
使用复杂度相对简单功能更丰富
适用场景只需要知道任务完成与否需要获取每个任务的具体结果

高级用法:超时控制

Barrier支持超时机制,可以防止任务无限期阻塞:

use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Coroutine\Barrier;

$barrier = Barrier::create();

// 启动任务
Coroutine::create(function () use ($barrier) {
    // 模拟长时间运行的任务
    sleep(10);
});

try {
    // 设置5秒超时
    Barrier::wait($barrier, 5.0);
    echo "所有任务在超时前完成\n";
} catch (TimeoutException $e) {
    echo "任务执行超时: " . $e->getMessage() . "\n";
    // 可以在这里执行清理操作或重试逻辑
}

错误处理最佳实践

在使用Barrier时,合理的错误处理策略至关重要:

use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Coroutine\Barrier;

$barrier = Barrier::create();
$errors = [];

for ($i = 0; $i < 3; $i++) {
    Coroutine::create(function () use ($barrier, $i, &$errors) {
        try {
            // 执行可能失败的操作
            if ($i === 1) {
                throw new RuntimeException("任务 {$i} 故意失败");
            }
            echo "任务 {$i} 成功\n";
        } catch (Exception $e) {
            $errors[] = "任务 {$i} 失败: " . $e->getMessage();
        }
    });
}

Barrier::wait($barrier);

if (!empty($errors)) {
    echo "部分任务失败:\n" . implode("\n", $errors) . "\n";
} else {
    echo "所有任务成功完成\n";
}

性能优化建议

  1. 合理设置并发数:根据系统资源和任务特性调整并发任务数量
  2. 避免过度同步:只在必要时使用Barrier,避免不必要的阻塞
  3. 资源池管理:对数据库连接、网络连接等资源使用连接池
  4. 监控与日志:记录任务执行时间和状态,便于性能分析和调试

Barrier作为Workerman协程编程中的重要同步工具,为开发者提供了强大的并发控制能力。通过合理使用Barrier,可以构建出既高效又可靠的并发应用程序,充分发挥协程编程的优势。

Parallel并行计算与结果收集

在Workerman的协程编程生态中,Parallel组件是实现高效并行计算和结果收集的核心工具。与Barrier仅关注任务同步不同,Parallel不仅能够并发执行多个任务,还能自动收集每个任务的执行结果,为复杂的并行计算场景提供了完整的解决方案。

Parallel的核心特性

Parallel组件设计用于处理需要并发执行多个独立任务并收集所有结果的场景。其主要特性包括:

特性描述优势
任务并发执行多个任务同时运行最大化利用CPU和I/O资源
结果自动收集自动收集所有任务的返回值简化结果处理逻辑
异常处理机制支持任务级别的异常捕获提高系统稳定性
内存效率基于协程的轻量级实现低内存开销,高并发能力

Parallel的基本用法

Parallel的使用遵循简单的三步模式:创建实例、添加任务、等待结果。以下是一个完整的示例:

<?php
use Workerman\Connection\TcpConnection;
use Workerman\Coroutine\Parallel;
use Workerman\Events\Swoole;
use Workerman\Protocols\Http\Request;
use Workerman\Worker;

// 创建HTTP服务器
$worker = new Worker('http://0.0.0.0:8001');
$worker->eventLoop = Swoole::class;

$worker->onMessage = function (TcpConnection $connection, Request $request) {
    $parallel = new Parallel();
    
    // 添加多个并行任务
    for ($i = 1; $i <= 4; $i++) {
        $parallel->add(function () use ($i) {
            // 模拟耗时操作
            sleep(1);
            return "任务 {$i} 完成 - 结果: " . ($i * 100);
        });
    }
    
    // 等待所有任务完成并获取结果
    $results = $parallel->wait();
    
    // 返回结果给客户端
    $connection->send(json_encode($results, JSON_PRETTY_PRINT));
};

Worker::runAll();

Parallel执行流程分析

Parallel的内部执行遵循清晰的协程调度机制:

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实际应用场景

1. 批量API调用

在微服务架构中,经常需要同时调用多个下游服务:

$parallel = new Parallel();

// 并行调用用户服务
$parallel->add(function () {
    return json_decode(file_get_contents(
        'http://user-service/api/users'
    ), true);
});

// 并行调用订单服务
$parallel->add(function () {
    return json_decode(file_get_contents(
        'http://order-service/api/orders'
    ), true);
});

// 并行调用商品服务
$parallel->add(function () {
    return json_decode(file_get_contents(
        'http://product-service/api/products'
    ), true);
});

[$users, $orders, $products] = $parallel->wait();

// 合并处理所有数据
$response = [
    'users' => $users,
    'orders' => $orders,
    'products' => $products
];
2. 数据库并行查询

优化复杂的数据聚合查询:

$parallel = new Parallel();

// 并行执行多个统计查询
$parallel->add(function () use ($db) {
    return $db->query("SELECT COUNT(*) as total FROM users")->fetchArray();
});

$parallel->add(function () use ($db) {
    return $db->query("SELECT SUM(amount) as revenue FROM orders")->fetchArray();
});

$parallel->add(function () use ($db) {
    return $db->query("SELECT AVG(price) as avg_price FROM products")->fetchArray();
});

$results = $parallel->wait();

$stats = [
    'total_users' => $results[0]['total'],
    'total_revenue' => $results[1]['revenue'],
    'avg_price' => $results[2]['avg_price']
];

高级特性与最佳实践

1. 异常处理机制

Parallel提供了完善的异常处理机制,确保单个任务的失败不会影响整个并行操作:

$parallel = new Parallel();

try {
    $parallel->add(function () {
        // 可能抛出异常的任务
        if (rand(0, 1)) {
            throw new RuntimeException('随机错误');
        }
        return "成功";
    });
    
    $parallel->add(function () {
        return "另一个任务";
    });
    
    $results = $parallel->wait();
    
} catch (ParallelExecutionException $e) {
    // 处理并行执行异常
    $failedResults = $e->getResults();
    $exceptions = $e->getExceptions();
    
    foreach ($exceptions as $index => $exception) {
        error_log("任务 {$index} 失败: " . $exception->getMessage());
    }
}
2. 超时控制

为并行任务设置全局超时时间:

$parallel = new Parallel();
$parallel->setTimeout(5.0); // 5秒超时

$parallel->add(function () {
    sleep(10); // 这个任务会超时
    return "耗时任务";
});

try {
    $results = $parallel->wait();
} catch (ParallelTimeoutException $e) {
    // 处理超时异常
    echo "并行任务执行超时";
}
3. 性能优化策略

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与Barrier的对比分析

理解Parallel与Barrier的区别对于选择合适的工具至关重要:

特性ParallelBarrier
结果收集✅ 自动收集所有任务结果❌ 不收集结果
返回值返回结果数组无返回值
异常处理详细的异常信息基本的异常抛出
使用场景需要结果数据的并行计算只需要同步的并行任务
内存使用稍高(存储结果)较低

实战案例:电商平台数据聚合

以下是一个完整的电商数据聚合服务示例:

<?php
use Workerman\Worker;
use Workerman\Connection\TcpConnection;
use Workerman\Coroutine\Parallel;
use Workerman\Events\Swoole;
use Workerman\Protocols\Http\Request;

$worker = new Worker('http://0.0.0.0:8080');
$worker->eventLoop = Swoole::class;
$worker->count = 4;

$worker->onMessage = function (TcpConnection $connection, Request $request) {
    $userId = $request->get('user_id');
    
    $parallel = new Parallel();
    
    // 并行获取用户各种数据
    $parallel->add(function () use ($userId) {
        return $this->getUserInfo($userId);
    });
    
    $parallel->add(function () use ($userId) {
        return $this->getUserOrders($userId);
    });
    
    $parallel->add(function () use ($userId) {
        return $this->getUserCart($userId);
    });
    
    $parallel->add(function () use ($userId) {
        return $this->getRecommendations($userId);
    });
    
    try {
        [$userInfo, $orders, $cart, $recommendations] = $parallel->wait();
        
        $response = [
            'success' => true,
            'data' => [
                'user' => $userInfo,
                'orders' => $orders,
                'cart' => $cart,
                'recommendations' => $recommendations
            ],
            'processing_time' => microtime(true) - START_TIME
        ];
        
        $connection->send(json_encode($response));
        
    } catch (ParallelExecutionException $e) {
        $connection->send(json_encode([
            'success' => false,
            'error' => '部分数据获取失败',
            'details' => $e->getExceptions()
        ]));
    }
};

// 模拟数据获取方法
private function getUserInfo($userId) {
    // 模拟数据库查询或API调用
    usleep(100000); // 100ms
    return ['id' => $userId, 'name' => '用户' . $userId];
}

private function getUserOrders($userId) {
    usleep(150000);
    return ['total_orders' => rand(5, 50), 'recent_orders' => []];
}

private function getUserCart($userId) {
    usleep(200000);
    return ['items' => rand(0, 10), 'total_amount' => rand(100, 1000)];
}

private function getRecommendations($userId) {
    usleep(250000);
    return array_slice(['商品A', '商品B', '商品C', '商品D'], 0, rand(1, 4));
}

define('START_TIME', microtime(true));
Worker::runAll();

这个示例展示了如何利用Parallel组件将原本需要串行执行的多个数据获取操作并行化,将总耗时从约700ms降低到约250ms,性能提升近3倍。

通过Parallel组件,Workerman为PHP开发者提供了强大的并行计算能力,使得构建高性能、高并发的网络应用变得更加简单和高效。其简洁的API设计和强大的功能使其成为处理复杂并行任务的理想选择。

Channel协程间通信与数据共享

在Workerman的协程编程模型中,Channel(通道)是实现协程间通信和数据共享的核心机制。Channel提供了一种安全、高效的方式,让不同的协程能够进行数据交换和同步操作,避免了传统多线程编程中常见的竞态条件和锁竞争问题。

Channel的基本概念与工作原理

Channel本质上是一个先进先出(FIFO)的队列数据结构,支持生产者和消费者模式。一个协程可以向Channel中推送(push)数据,而另一个协程可以从Channel中弹出(pop)数据。这种机制确保了数据在协程间的有序传递和线程安全访问。

mermaid

Channel的核心特性

特性描述优势
线程安全内置同步机制,避免竞态条件无需手动加锁,简化编程模型
阻塞操作push和pop操作在特定条件下会阻塞自动协调协程执行顺序
容量限制可设置最大容量,防止内存溢出控制资源使用,提高稳定性
超时机制支持操作超时设置避免死锁,增强鲁棒性

Channel的基本用法

下面是一个完整的Channel使用示例,展示了如何在两个协程间进行数据交换:

<?php
use Workerman\Connection\TcpConnection;
use Workerman\Coroutine\Channel;
use Workerman\Coroutine;
use Workerman\Events\Swoole;
use Workerman\Protocols\Http\Request;
use Workerman\Worker;

require_once __DIR__ . '/vendor/autoload.php';

// 创建HTTP服务器
$worker = new Worker('http://0.0.0.0:8001');
$worker->eventLoop = Swoole::class; // 使用Swoole事件循环
$worker->onMessage = function (TcpConnection $connection, Request $request) {
    // 创建容量为2的Channel
    $channel = new Channel(2);
    
    // 创建第一个协程,执行任务并推送结果
    Coroutine::create(function () use ($channel) {
        // 模拟耗时任务
        sleep(1);
        $channel->push('Task 1 Completed');
    });
    
    // 创建第二个协程,执行另一个任务
    Coroutine::create(function () use ($channel) {
        // 模拟另一个耗时任务
        sleep(2);
        $channel->push('Task 2 Completed');
    });
    
    // 收集所有任务结果
    $results = [];
    for ($i = 0; $i < 2; $i++) {
        $results[] = $channel->pop();
    }
    
    // 返回结果给客户端
    $connection->send(json_encode($results));
};

Worker::runAll();

Channel的高级用法

1. 超时控制

Channel支持设置超时时间,避免协程无限期阻塞:

// 设置pop操作超时为5秒
$data = $channel->pop(5.0); // 5秒超时

// 设置push操作超时
$success = $channel->push($data, 3.0); // 3秒超时
2. 容量管理与背压控制

通过设置Channel容量,可以实现背压控制,防止生产者协程过快产生数据:

// 创建容量为10的Channel
$channel = new Channel(10);

// 当Channel满时,push操作会阻塞
// 直到有消费者协程取出数据
3. 多生产者多消费者模式

Channel天然支持多对多的通信模式:

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Channel在实际场景中的应用

场景1:并行任务处理
// 并行处理多个HTTP请求
$channel = new Channel(count($urls));
foreach ($urls as $url) {
    Coroutine::create(function () use ($channel, $url) {
        $response = file_get_contents($url);
        $channel->push(['url' => $url, 'response' => $response]);
    });
}

// 收集所有响应
$responses = [];
for ($i = 0; $i < count($urls); $i++) {
    $responses[] = $channel->pop();
}
场景2:工作池模式
// 创建工作池Channel
$taskChannel = new Channel(10);
$resultChannel = new Channel(10);

// 创建工作协程
for ($i = 0; $i < 5; $i++) {
    Coroutine::create(function () use ($taskChannel, $resultChannel) {
        while (true) {
            $task = $taskChannel->pop();
            $result = processTask($task);
            $resultChannel->push($result);
        }
    });
}

// 提交任务
foreach ($tasks as $task) {
    $taskChannel->push($task);
}

// 获取结果
$results = [];
for ($i = 0; $i < count($tasks); $i++) {
    $results[] = $resultChannel->pop();
}

Channel的性能优化建议

  1. 合理设置容量:根据实际业务需求设置Channel容量,避免过大或过小
  2. 使用超时机制:为所有阻塞操作设置合理的超时时间
  3. 批量处理:尽量使用批量操作减少Channel操作次数
  4. 避免Channel泄漏:确保Channel在使用完毕后被正确关闭或销毁

Channel与传统多线程通信的对比

方面Channel协程通信传统多线程通信
内存开销低(共享内存空间)高(每个线程独立栈)
上下文切换用户态切换,代价小内核态切换,代价大
同步机制内置,无需显式锁需要手动管理锁和条件变量
编程复杂度简单直观复杂容易出错
性能高吞吐量低延迟受锁竞争影响

Channel作为Workerman协程编程的核心组件,为开发者提供了一种高效、安全的协程间通信方式。通过合理运用Channel,可以构建出高性能、高并发的网络应用程序,充分发挥协程编程的优势。

总结

Workerman的协程编程体系提供了完整的并发处理解决方案,通过Coroutine、Barrier、Parallel和Channel四大组件的协同工作,使PHP开发者能够轻松构建高性能的异步并发应用。这些组件不仅提供了高效的资源利用率和优异的性能表现,还通过简洁的API设计和内置的安全机制降低了并发编程的复杂度。合理运用这些协程特性,可以显著提升I/O密集型应用的吞吐量和响应速度,为现代网络应用开发提供强有力的技术支撑。

【免费下载链接】workerman An asynchronous event driven PHP socket framework. Supports HTTP, Websocket, SSL and other custom protocols. 【免费下载链接】workerman 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/wo/workerman

创作声明:本文部分内容由AI辅助生成(AIGC),仅供参考

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