PHP7革新與性能優(yōu)化

2015-09-18 11:29:50

有幸參與2015年的PHP技術(shù)峰會(huì)（PHPCON），聽了鳥哥（惠新宸）的關(guān)于PHP7的新特性和性能優(yōu)化的分享，一切都令人感到激動(dòng)。鳥哥是國內(nèi)最權(quán)威的PHP專家，他的分享有很多非常有價(jià)值的東西，我通過整理分享的PPT和收集相關(guān)資料，整理為這篇解讀性質(zhì)的技術(shù)文章，希望能給做PHP開發(fā)的同學(xué)一些幫助。

PHP已經(jīng)走過了20年的歷史，直到今天，PHP7都發(fā)布了RC版，據(jù)說，PHP7正式版應(yīng)該會(huì)在2015年11月份左右發(fā)布。PHP7對(duì)于上一個(gè)系列的PHP5.*，可以說是一個(gè)大規(guī)模的革新，尤其是在性能方面實(shí)現(xiàn)跨越式的大幅提升。

PHP是一種在全球范圍內(nèi)被廣泛使用的Web開發(fā)語言，PHP7的革新也當(dāng)然會(huì)給這些Web服務(wù)帶來更深刻的變化。這里引用鳥哥PPT中的一個(gè)圖表（82%的Web站點(diǎn)有使用PHP作為開發(fā)語言）：

（注：一個(gè)web站點(diǎn)可以會(huì)使用多種語言作為它的開發(fā)語言）

（注：本文含有不少從鳥哥PPT里的截圖，圖片版權(quán)歸鳥哥所有）

我們先看看兩張激動(dòng)人心的性能測(cè)試結(jié)果圖：

Benchmark對(duì)比（圖片來自于PPT）：

PHP7的性能測(cè)試結(jié)果，性能壓測(cè)結(jié)果，耗時(shí)從2.991下降到1.186，大幅度下降60%。

WordPress的QPS壓測(cè)（圖片來自于PPT）：

而在WordPress項(xiàng)目中，PHP7對(duì)比PHP5.6，QPS提升2.77倍。

看完令人激動(dòng)的性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比，我們就進(jìn)入正題哈。PHP7的新增特性很多，不過，我們會(huì)更聚焦于那些主要的變化。

一、新增特性和改變

1. 標(biāo)量類型和返回類型聲明（Scalar Type Declarations & Scalar Type Declarations）

PHP語言一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是“弱類型”，它讓PHP的程序變得非常容易編寫，新手接觸PHP能夠快速上手，不過，它也伴隨著一些爭議。支持變量類型的定義，可以說是革新性質(zhì)的變化，PHP開始以可選的方式支持類型定義。除此之外，還引入了一個(gè)開關(guān)指令 declare(strict_type=1);，當(dāng)這個(gè)指令一旦開啟，將會(huì)強(qiáng)制當(dāng)前文件下的程序遵循嚴(yán)格的函數(shù)傳參類型和返回類型。

例如一個(gè)add函數(shù)加上類型定義，可以寫成這樣：

如果配合強(qiáng)制類型開關(guān)指令，則可以變?yōu)檫@樣：

如果不開啟strict_type，PHP將會(huì)嘗試幫你轉(zhuǎn)換成要求的類型，而開啟之后，會(huì)改變PHP就不再做類型轉(zhuǎn)換，類型不匹配就會(huì)拋出錯(cuò)誤。對(duì)于喜歡“強(qiáng)類型”語言的同學(xué)來說，這是一大福音。

更為詳細(xì)的介紹：PHP7標(biāo)量類型聲明RFC[翻譯]

2. 更多的Error變?yōu)榭刹东@的Exception

PHP7實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全局的throwable接口，原來的Exception和部分Error都實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口（interface），以接口的方式定義了異常的繼承結(jié)構(gòu)。于是，PHP7中更多的Error變?yōu)榭刹东@的Exception返回給開發(fā)者，如果不進(jìn)行捕獲則為Error，如果捕獲就變為一個(gè)可在程序內(nèi)處理的Exception。這些可被捕獲的Error通常都是不會(huì)對(duì)程序造成致命傷害的Error，例如函數(shù)不存。PHP7進(jìn)一步方便開發(fā)者處理，讓開發(fā)者對(duì)程序的掌控能力更強(qiáng)。因?yàn)樵谀J(rèn)情況下，Error會(huì)直接導(dǎo)致程序中斷，而PHP7則提供捕獲并且處理的能力，讓程序繼續(xù)執(zhí)行下去，為程序員提供更靈活的選擇。

例如，執(zhí)行一個(gè)我們不確定是否存在的函數(shù)，PHP5兼容的做法是在函數(shù)被調(diào)用之前追加的判斷function_exist，而PHP7則支持捕獲Exception的處理方式。

如下圖中的例子（截圖來源于PPT內(nèi)）：

3. AST（Abstract Syntax Tree，抽象語法樹）

AST在PHP編譯過程作為一個(gè)中間件的角色，替換原來直接從解釋器吐出opcode的方式，讓解釋器（parser）和編譯器（compliler）解耦，可以減少一些Hack代碼，同時(shí)，讓實(shí)現(xiàn)更容易理解和可維護(hù)。

PHP5：

PHP7：

4. Native TLS（Native Thread local storage，原生線程本地存儲(chǔ)）

PHP在多線程模式下（例如，Web服務(wù)器Apache的woker和event模式，就是多線程），需要解決“線程安全” （TS，Thread Safe）的問題，因?yàn)榫€程是共享進(jìn)程的內(nèi)存空間的，所以每個(gè)線程本身需要通過某種方式，構(gòu)建私有的空間來保存自己的私有數(shù)據(jù)，避免和其他線程相互污染。而PHP5采用的方式，就是維護(hù)一個(gè)全局大數(shù)組，為每一個(gè)線程分配一份獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，線程通過各自擁有的key值來訪問這個(gè)全局數(shù)據(jù)組。

而這個(gè)獨(dú)有的key值在PHP5中需要傳遞給每一個(gè)需要用到全局變量的函數(shù)，PHP7認(rèn)為這種傳遞的方式并不友好，并且存在一些問題。因而，嘗試采用一個(gè)全局的線程特定變量來保存這個(gè)key值。

相關(guān)的Native TLS問題：https://wiki.php.net/rfc/native-tls

5. 其他新特性

PHP7新特性和變化不少，我們這里并不全部展開來細(xì)說哈。

Int64支持，統(tǒng)一不同平臺(tái)下的整型長度，字符串和文件上傳都支持大于2GB。
統(tǒng)一變量語法（Uniform variable syntax）。
foreach表現(xiàn)行為一致（Consistently foreach behaviors）
新的操作符 <=>, ??
Unicode字符格式支持（\u{xxxxx}）
匿名類支持（Anonymous Class）

… …

#p#

二、跨越式的性能突破：全速前進(jìn)

1. JIT與性能

Just In Time（即時(shí)編譯）是一種軟件優(yōu)化技術(shù)，指在運(yùn)行時(shí)才會(huì)去編譯字節(jié)碼為機(jī)器碼。從直覺出發(fā)，我們都很容易認(rèn)為，機(jī)器碼是計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別和執(zhí)行的，比起Zend讀取opcode逐條執(zhí)行效率會(huì)更高。其中，HHVM（HipHop Virtual Machine，HHVM是一個(gè) Facebook開源的PHP虛擬機(jī)）就采用JIT，讓他們的PHP性能測(cè)試提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，放出一個(gè)令人震驚的測(cè)試結(jié)果，也讓我們直觀地認(rèn)為JIT是一項(xiàng)點(diǎn)石成金的強(qiáng)大技術(shù)。

而實(shí)際上，在2013年的時(shí)候，鳥哥和Dmitry（PHP語言內(nèi)核開發(fā)者之一）就曾經(jīng)在PHP5.5的版本上做過一個(gè)JIT的嘗試（并沒有發(fā) 布）。PHP5.5的原來的執(zhí)行流程，是將PHP代碼通過詞法和語法分析，編譯成opcode字節(jié)碼（格式和匯編有點(diǎn)像），然后，Zend引擎讀取這些 opcode指令，逐條解析執(zhí)行。

而他們?cè)趏pcode環(huán)節(jié)后引入了類型推斷（TypeInf），然后通過JIT生成ByteCodes，然后再執(zhí)行。

于是，在benchmark（測(cè)試程序）中得到令人興奮的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)JIT后性能比PHP5.5提升了8倍。然而，當(dāng)他們把這個(gè)優(yōu)化放入到實(shí)際的項(xiàng)目WordPress（一個(gè)開源博客項(xiàng)目）中，卻幾乎看不見性能的提升，得到了一個(gè)令人費(fèi)解的測(cè)試結(jié)果。

于是，他們使用Linux下的profile類型工具，對(duì)程序執(zhí)行進(jìn)行CPU耗時(shí)占用分析。

執(zhí)行100次WordPress的CPU消耗的分布（截圖來自PPT）：

注解：

21%CPU時(shí)間花費(fèi)在內(nèi)存管理。
12%CPU時(shí)間花費(fèi)在hash table操作，主要是PHP數(shù)組的增刪改查。
30%CPU時(shí)間花費(fèi)在內(nèi)置函數(shù)，例如strlen。
25%CPU時(shí)間花費(fèi)在VM（Zend引擎）。

經(jīng)過分析之后，得到了兩個(gè)結(jié)論：

（1）JIT生成的ByteCodes如果太大，會(huì)引起CPU緩存***率下降（CPU Cache Miss）

在PHP5.5的代碼里，因?yàn)椴]有明顯類型定義，只能靠類型推斷。盡可能將可以推斷出來的變量類型，定義出來，然后，結(jié)合類型推斷，將非該類型的分支代碼去掉，生成直接可執(zhí)行的機(jī)器碼。然而，類型推斷不能推斷出全部類型，在WordPress中，能夠推斷出來的類型信息只有不到30%，能夠減少的分支代碼有限。導(dǎo)致JIT以后，直接生成機(jī)器碼，生成的ByteCodes太大，最終引起CPU緩存***大幅度下降（CPU Cache Miss）。

CPU緩存***是指，CPU在讀取并執(zhí)行指令的過程中，如果需要的數(shù)據(jù)在CPU一級(jí)緩存（L1）中讀取不到，就不得不往下繼續(xù)尋找，一直到二級(jí)緩存（L2）和三級(jí)緩存（L3），最終會(huì)嘗試到內(nèi)存區(qū)域里尋找所需要的指令數(shù)據(jù)，而內(nèi)存和CPU緩存之間的讀取耗時(shí)差距可以達(dá)到100倍級(jí)別。所以，ByteCodes如果過大，執(zhí)行指令數(shù)量過多，導(dǎo)致多級(jí)緩存無法容納如此之多的數(shù)據(jù)，部分指令將不得不被存放到內(nèi)存區(qū)域。

CPU的各級(jí)緩存的大小也是有限的，下圖是Intel i7 920的配置信息：

因此，CPU緩存***率下降會(huì)帶來嚴(yán)重的耗時(shí)增加，另一方面，JIT帶來的性能提升，也被它所抵消掉了。

通過JIT，可以降低VM的開銷，同時(shí)，通過指令優(yōu)化，可以間接降低內(nèi)存管理的開發(fā)，因?yàn)榭梢詼p少內(nèi)存分配的次數(shù)。然而，對(duì)于真實(shí)的 WordPress項(xiàng)目來說，CPU耗時(shí)只有25%在VM上，主要的問題和瓶頸實(shí)際上并不在VM上。因此，JIT的優(yōu)化計(jì)劃，***沒有被列入該版本的 PHP7特性中。不過，它很可能會(huì)在更后面的版本中實(shí)現(xiàn)，這點(diǎn)也非常值得我們期待哈。

（2）JIT性能的提升效果取決于項(xiàng)目的實(shí)際瓶頸

JIT在benchmark中有大幅度的提升，是因?yàn)榇a量比較少，最終生成的ByteCodes也比較小，同時(shí)主要的開銷是在VM中。而應(yīng)用在 WordPress實(shí)際項(xiàng)目中并沒有明顯的性能提升，原因WordPress的代碼量要比benchmark大得多，雖然JIT降低了VM的開銷，但是因為ByteCodes太大而又引起CPU緩存***下降和額外的內(nèi)存開銷，最終變成沒有提升。

不同類型的項(xiàng)目會(huì)有不同的CPU開銷比例，也會(huì)得到不同的結(jié)果，脫離實(shí)際項(xiàng)目的性能測(cè)試，并不具有很好的代表性。

2. Zval的改變

PHP的各種類型的變量，其實(shí)，真正存儲(chǔ)的載體就是Zval，它特點(diǎn)是海納百川，有容乃大。從本質(zhì)上看，它是C語言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)結(jié)構(gòu)體（struct）。對(duì)于寫PHP的同學(xué)，可以將它粗略理解為是一個(gè)類似array數(shù)組的東西。

PHP5的Zval，內(nèi)存占據(jù)24個(gè)字節(jié)（截圖來自PPT）：

PHP7的Zval，內(nèi)存占據(jù)16個(gè)字節(jié)（截圖來自PPT）：

Zval從24個(gè)字節(jié)下降到16個(gè)字節(jié)，為什么會(huì)下降呢，這里需要補(bǔ)一點(diǎn)點(diǎn)的C語言基礎(chǔ)，輔助不熟悉C的同學(xué)理解。struct和union（聯(lián)合體）有點(diǎn)不同，Struct的每一個(gè)成員變量要各自占據(jù)一塊獨(dú)立的內(nèi)存空間，而union里的成員變量是共用一塊內(nèi)存空間（也就是說修改其中一個(gè)成員變量，公有空間就被修改了，其他成員變量的記錄也就沒有了）。因此，雖然成員變量看起來多了不少，但是實(shí)際占據(jù)的內(nèi)存空間卻下降了。

除此之外，還有被明顯改變的特性，部分簡單類型不再使用引用。

Zval結(jié)構(gòu)圖（來源于PPT中）：

圖中Zval的由2個(gè)64bits（1字節(jié)=8bit，bit是“位”）組成，如果變量類型是long、bealoon這些長度不超過64bit 的，則直接存儲(chǔ)到value中，就沒有下面的引用了。當(dāng)變量類型是array、objec、string等超過64bit的，value存儲(chǔ)的就是一個(gè)指針，指向真實(shí)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)地址。

對(duì)于簡單的變量類型來說，Zval的存儲(chǔ)變得非常簡單和高效。

不需要引用的類型：NULL、Boolean、Long、Double

需要引用的類型：String、Array、Object、Resource、Reference

3. 內(nèi)部類型zend_string

Zend_string是實(shí)際存儲(chǔ)字符串的結(jié)構(gòu)體，實(shí)際的內(nèi)容會(huì)存儲(chǔ)在val（char，字符型）中，而val是一個(gè)char數(shù)組，長度為1（方便成員變量占位）。

結(jié)構(gòu)體***一個(gè)成員變量采用char數(shù)組，而不是使用char*，這里有一個(gè)小優(yōu)化技巧，可以降低CPU的cache miss。

如果使用char數(shù)組，當(dāng)malloc申請(qǐng)上述結(jié)構(gòu)體內(nèi)存，是申請(qǐng)?jiān)谕黄瑓^(qū)域的，通常是長度是sizeof(_zend_string) + 實(shí)際char存儲(chǔ)空間。但是，如果使用char*，那個(gè)這個(gè)位置存儲(chǔ)的只是一個(gè)指針，真實(shí)的存儲(chǔ)又在另外一片獨(dú)立的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)。

使用char[1]和char*的內(nèi)存分配對(duì)比：

從邏輯實(shí)現(xiàn)的角度來看，兩者其實(shí)也沒有多大區(qū)別，效果很類似。而實(shí)際上，當(dāng)這些內(nèi)存塊被載入到CPU的中，就顯得非常不一樣。前者因?yàn)槭沁B續(xù)分配在一起的同一塊內(nèi)存，在CPU讀取時(shí)，通常都可以一同獲得（因?yàn)闀?huì)在同一級(jí)緩存中）。而后者，因?yàn)槭莾蓧K內(nèi)存的數(shù)據(jù)，CPU讀取***塊內(nèi)存的時(shí)候，很可能第二塊內(nèi)存數(shù)據(jù)不在同一級(jí)緩存中，使CPU不得不往L2（二級(jí)緩存）以下尋找，甚至到內(nèi)存區(qū)域查到想要的第二塊內(nèi)存數(shù)據(jù)。這里就會(huì)引起 CPU Cache Miss，而兩者的耗時(shí)***可以相差100倍。

另外，在字符串復(fù)制的時(shí)候，采用引用賦值，zend_string可以避免的內(nèi)存拷貝。

6. PHP數(shù)組的變化（HashTable和Zend Array）

在編寫PHP程序過程中，使用最頻繁的類型莫過于數(shù)組，PHP5的數(shù)組采用HashTable實(shí)現(xiàn)。如果用比較粗略的概括方式來說，它算是一個(gè)支持雙向鏈表的HashTable，不僅支持通過數(shù)組的key來做hash映射訪問元素，也能通過foreach以訪問雙向鏈表的方式遍歷數(shù)組元素。

PHP5的HashTable（截圖來自于PPT）：

這個(gè)圖看起來很復(fù)雜，各種指針跳來跳去，當(dāng)我們通過key值訪問一個(gè)元素內(nèi)容的時(shí)候，有時(shí)需要3次的指針跳躍才能找對(duì)需要的內(nèi)容。而最重要的一點(diǎn)，就在于這些數(shù)組元素存儲(chǔ)，都是分散在各個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域的。同理可得，在CPU讀取的時(shí)候，因?yàn)樗鼈兙秃芸赡懿辉谕患?jí)緩存中，會(huì)導(dǎo)致CPU不得不到下級(jí) 緩存甚至內(nèi)存區(qū)域查找，也就是引起CPU緩存***下降，進(jìn)而增加更多的耗時(shí)。

PHP7的Zend Array（截圖來源于PPT）：

新版本的數(shù)組結(jié)構(gòu)，非常簡潔，讓人眼前一亮。***的特點(diǎn)是，整塊的數(shù)組元素和hash映射表全部連接在一起，被分配在同一塊內(nèi)存內(nèi)。如果是遍歷一個(gè) 整型的簡單類型數(shù)組，效率會(huì)非常快，因?yàn)椋瑪?shù)組元素（Bucket）本身是連續(xù)分配在同一塊內(nèi)存里，并且，數(shù)組元素的zval會(huì)把整型元素存儲(chǔ)在內(nèi)部，也不再有指針外鏈，全部數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在當(dāng)前內(nèi)存區(qū)域內(nèi)。當(dāng)然，最重要的是，它能夠避免CPU Cache Miss（CPU緩存***率下降）。

Zend Array的變化：

數(shù)組的value默認(rèn)為zval。
HashTable的大小從72下降到56字節(jié)，減少22%。
Buckets的大小從72下降到32字節(jié)，減少50%。
數(shù)組元素的Buckets的內(nèi)存空間是一同分配的。
數(shù)組元素的key（Bucket.key）指向zend_string。
數(shù)組元素的value被嵌入到Bucket中。
降低CPU Cache Miss。

7. 函數(shù)調(diào)用機(jī)制（Function Calling Convention）

PHP7改進(jìn)了函數(shù)的調(diào)用機(jī)制，通過優(yōu)化參數(shù)傳遞的環(huán)節(jié)，減少了一些指令，提高執(zhí)行效率。

PHP5的函數(shù)調(diào)用機(jī)制（截圖來自于PPT）：

圖中，在vm棧中的指令send_val和recv參數(shù)的指令是相同，PHP7通過減少這兩條重復(fù)，來達(dá)到對(duì)函數(shù)調(diào)用機(jī)制的底層優(yōu)化。

PHP7的函數(shù)調(diào)用機(jī)制（截圖來自于PPT）：

8. 通過宏定義和內(nèi)聯(lián)函數(shù)（inline），讓編譯器提前完成部分工作

C語言的宏定義會(huì)被在預(yù)處理階段（編譯階段）執(zhí)行，提前將部分工作完成，無需在程序運(yùn)行時(shí)分配內(nèi)存，能夠?qū)崿F(xiàn)類似函數(shù)的功能，卻沒有函數(shù)調(diào)用的壓棧、彈棧開銷，效率會(huì)比較高。內(nèi)聯(lián)函數(shù)也類似，在預(yù)處理階段，將程序中的函數(shù)替換為函數(shù)體，真實(shí)運(yùn)行的程序執(zhí)行到這里，就不會(huì)產(chǎn)生函數(shù)調(diào)用的開銷。

PHP7在這方面做了不少的優(yōu)化，將不少需要在運(yùn)行階段要執(zhí)行的工作，放到了編譯階段。例如參數(shù)類型的判斷（Parameters Parsing），因?yàn)檫@里涉及的都是固定的字符常量，因此，可以放到到編譯階段來完成，進(jìn)而提升后續(xù)的執(zhí)行效率。

例如下圖中處理傳遞參數(shù)類型的方式，從左邊的寫法，優(yōu)化為右邊宏的寫法。