PHP7革新与性能优化

有幸参与2015年的PHP技术峰会（PHPCON），听了鸟哥（惠新宸）的关于PHP7的新特性和性能优化的分享，一切都令人感到激动。鸟哥是国内最权威的PHP专家，他的分享有很多非常有价值的东西，我通过整理分享的PPT和收集相关资料，整理为这篇解读性质的技术文章，希望能给做PHP开发的同学一些帮助。

PHP已经走过了20年的历史，直到今天，PHP7都发布了RC版，据说，PHP7正式版应该会在2015年11月份左右发布。PHP7对于上一个系列的PHP5.*，可以说是一个大规模的革新，尤其是在性能方面实现跨越式的大幅提升。
PHP是一种在全球范围内被广泛使用的Web开发语言，PHP7的革新也当然会给这些Web服务带来更深刻的变化。这里引用鸟哥PPT中的一个图表（82%的Web站点有使用PHP作为开发语言）：

PHP7革新与性能优化 - 徐汉彬Hansion - 技术行者

（注：一个web站点可以会使用多种语言作为它的开发语言）
（注：本文含有不少从鸟哥PPT里的截图，图片版权归鸟哥所有）

我们先看看两张激动人心的性能测试结果图：
Benchmark对比（图片来自于PPT）：

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PHP7的性能测试结果，性能压测结果，耗时从2.991下降到1.186，大幅度下降60%。
WordPress的QPS压测（图片来自于PPT）：

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而在WordPress项目中，PHP7对比PHP5.6，QPS提升2.77倍。
看完令人激动的性能测试结果对比，我们就进入正题哈。PHP7的新增特性很多，不过，我们会更聚焦于那些主要的变化。

一、新增特性和改变

1. 标量类型和返回类型声明（Scalar Type Declarations & Scalar Type Declarations）
   PHP语言一个非常重要的特点就是“弱类型”，它让PHP的程序变得非常容易编写，新手接触PHP能够快速上手，不过，它也伴随着一些争议。支持变量类型的定义，可以说是革新性质的变化，PHP开始以可选的方式支持类型定义。除此之外，还引入了一个开关指令declare(strict_type=1);，当这个指令一旦开启，将会强制当前文件下的程序遵循严格的函数传参类型和返回类型。
   例如一个add函数加上类型定义，可以写成这样：
   

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   如果配合强制类型开关指令，则可以变为这样：
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   如果不开启strict_type，PHP将会尝试帮你转换成要求的类型，而开启之后，会改变PHP就不再做类型转换，类型不匹配就会抛出错误。对于喜欢“强类型”语言的同学来说，这是一大福音。
   更为详细的介绍：
   PHP7标量类型声明RFC[翻译]

2. 更多的Error变为可捕获的Exception
   PHP7实现了一个全局的throwable接口，原来的Exception和部分Error都实现了这个接口（interface）， 以接口的方式定义了异常的继承结构。于是，PHP7中更多的Error变为可捕获的Exception返回给开发者，如果不进行捕获则为Error，如果捕获就变为一个可在程序内处理的Exception。这些可被捕获的Error通常都是不会对程序造成致命伤害的Error，例如函数不存。PHP7进一步方便开发者处理，让开发者对程序的掌控能力更强。因为在默认情况下，Error会直接导致程序中断，而PHP7则提供捕获并且处理的能力，让程序继续执行下去，为程序员提供更灵活的选择。
   例如，执行一个我们不确定是否存在的函数，PHP5兼容的做法是在函数被调用之前追加的判断function_exist，而PHP7则支持捕获Exception的处理方式。
   如下图中的例子（截图来源于PPT内）：

   
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3. AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树）
   AST在PHP编译过程作为一个中间件的角色，替换原来直接从解释器吐出opcode的方式，让解释器（parser）和编译器（compliler）解耦，可以减少一些Hack代码，同时，让实现更容易理解和可维护。
   PHP5：
   

   PHP7革新与性能优化 - 徐汉彬Hansion - 技术行者 PHP7：
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   更多AST信息：
   https://wiki.php.net/rfc/abstract_syntax_tree

4. Native TLS（Native Thread local storage，原生线程本地存储）
   PHP在多线程模式下（例如，Web服务器Apache的woker和event模式，就是多线程），需要解决“线程安全”（TS，Thread Safe）的问题，因为线程是共享进程的内存空间的，所以每个线程本身需要通过某种方式，构建私有的空间来保存自己的私有数据，避免和其他线程相互污染。而PHP5采用的方式，就是维护一个全局大数组，为每一个线程分配一份独立的存储空间，线程通过各自拥有的key值来访问这个全局数据组。
   而这个独有的key值在PHP5中需要传递给每一个需要用到全局变量的函数，PHP7认为这种传递的方式并不友好，并且存在一些问题。因而，尝试采用一个全局的线程特定变量来保存这个key值。
   相关的Native TLS问题：
   https://wiki.php.net/rfc/native-tls

5. 其他新特性
   PHP7新特性和变化不少，我们这里并不全部展开来细说哈。
   （1） Int64支持，统一不同平台下的整型长度，字符串和文件上传都支持大于2GB。
   （2） 统一变量语法（Uniform variable syntax）。
   （3） foreach表现行为一致（Consistently foreach behaviors）
   （4） 新的操作符 <=>, ??
   （5） Unicode字符格式支持（\u{xxxxx}）
   （6） 匿名类支持（Anonymous Class）
   … …

二、跨越式的性能突破：全速前进

1. JIT与性能
   Just In Time（即时编译）是一种软件优化技术，指在运行时才会去编译字节码为机器码。从直觉出发，我们都很容易认为，机器码是计算机能够直接识别和执行的，比起Zend读取opcode逐条执行效率会更高。其中，HHVM（HipHop Virtual Machine，HHVM是一个Facebook开源的PHP虚拟机）就采用JIT，让他们的PHP性能测试提升了一个数量级，放出一个令人震惊的测试结果，也让我们直观地认为JIT是一项点石成金的强大技术。
   而实际上，在2013年的时候，鸟哥和Dmitry（PHP语言内核开发者之一）就曾经在PHP5.5的版本上做过一个JIT的尝试（并没有发布）。PHP5.5的原来的执行流程，是将PHP代码通过词法和语法分析，编译成opcode字节码（格式和汇编有点像），然后，Zend引擎读取这些opcode指令，逐条解析执行。

   
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而他们在opcode环节后引入了类型推断（TypeInf），然后通过JIT生成ByteCodes，然后再执行。

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于是，在benchmark（测试程序）中得到令人兴奋的结果，实现JIT后性能比PHP5.5提升了8倍。然而，当他们把这个优化放入到实际的项目WordPress（一个开源博客项目）中，却几乎看不见性能的提升，得到了一个令人费解的测试结果。
于是，他们使用Linux下的profile类型工具，对程序执行进行CPU耗时占用分析。
执行100次WordPress的CPU消耗的分布（截图来自PPT）：

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注解：
21%CPU时间花费在内存管理。

12%CPU时间花费在hash table操作，主要是PHP数组的增删改查。
30%CPU时间花费在内置函数，例如strlen。
25%CPU时间花费在VM（Zend引擎）。

经过分析之后，得到了两个结论：
（1）JIT生成的ByteCodes如果太大，会引起CPU缓存命中率下降（CPU Cache Miss）
在PHP5.5的代码里，因为并没有明显类型定义，只能靠类型推断。尽可能将可以推断出来的变量类型，定义出来，然后，结合类型推断，将非该类型的分支代码去掉，生成直接可执行的机器码。然而，类型推断不能推断出全部类型，在WordPress中，能够推断出来的类型信息只有不到30%，能够减少的分支代码有限。导致JIT以后，直接生成机器码，生成的ByteCodes太大，最终引起CPU缓存命中大幅度下降（CPU Cache Miss）。
CPU缓存命中是指，CPU在读取并执行指令的过程中，如果需要的数据在CPU一级缓存（L1）中读取不到，就不得不往下继续寻找，一直到二级缓存（L2）和三级缓存（L3），最终会尝试到内存区域里寻找所需要的指令数据，而内存和CPU缓存之间的读取耗时差距可以达到100倍级别。所以，ByteCodes如果过大，执行指令数量过多，导致多级缓存无法容纳如此之多的数据，部分指令将不得不被存放到内存区域。

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CPU的各级缓存的大小也是有限的，下图是Intel i7 920的配置信息：

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因此，CPU缓存命中率下降会带来严重的耗时增加，另一方面，JIT带来的性能提升，也被它所抵消掉了。

通过JIT，可以降低VM的开销，同时，通过指令优化，可以间接降低内存管理的开发，因为可以减少内存分配的次数。然而，对于真实的WordPress项目来说，CPU耗时只有25%在VM上，主要的问题和瓶颈实际上并不在VM上。因此，JIT的优化计划，最后没有被列入该版本的PHP7特性中。不过，它很可能会在更后面的版本中实现，这点也非常值得我们期待哈。

（2）JIT性能的提升效果取决于项目的实际瓶颈
JIT在benchmark中有大幅度的提升，是因为代码量比较少，最终生成的ByteCodes也比较小，同时主要的开销是在VM中。而应用在WordPress实际项目中并没有明显的性能提升，原因WordPress的代码量要比benchmark大得多，虽然JIT降低了VM的开销，但是因为ByteCodes太大而又引起CPU缓存命中下降和额外的内存开销，最终变成没有提升。
不同类型的项目会有不同的CPU开销比例，也会得到不同的结果，脱离实际项目的性能测试，并不具有很好的代表性。

2. Zval的改变
   PHP的各种类型的变量，其实，真正存储的载体就是Zval，它特点是海纳百川，有容乃大。从本质上看，它是C语言实现的一个结构体（struct）。对于写PHP的同学，可以将它粗略理解为是一个类似array数组的东西。
   PHP5的Zval，内存占据24个字节（截图来自PPT）：

   
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   PHP7的Zval，内存占据16个字节（截图来自PPT）：

   
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   Zval从24个字节下降到16个字节，为什么会下降呢，这里需要补一点点的C语言基础，辅助不熟悉C的同学理解。struct和union（联合体）有点不同，Struct的每一个成员变量要各自占据一块独立的内存空间，而union里的成员变量是共用一块内存空间（也就是说修改其中一个成员变量，公有空间就被修改了，其他成员变量的记录也就没有了）。因此，虽然成员变量看起来多了不少，但是实际占据的内存空间却下降了。

除此之外，还有被明显改变的特性，部分简单类型不再使用引用。
Zval结构图（来源于PPT中）：

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图中Zval的由2个64bits（1字节=8bit，bit是“位”）组成，如果变量类型是long、bealoon这些长度不超过64bit的，则直接存储到value中，就没有下面的引用了。当变量类型是array、objec、string等超过64bit的，value存储的就是一个指针，指向真实的存储结构地址。
对于简单的变量类型来说，Zval的存储变得非常简单和高效。
不需要引用的类型：NULL、Boolean、Long、Double
需要引用的类型：String、Array、Object、Resource、Reference

3. 内部类型zend_string
   Zend_string是实际存储字符串的结构体，实际的内容会存储在val（char，字符型）中，而val是一个char数组，长度为1（方便成员变量占位）。
   

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   结构体最后一个成员变量采用char数组，而不是使用char，这里有一个小优化技巧，可以降低CPU的cache miss。
   如果使用char数组，当malloc申请上述结构体内存，是申请在同一片区域的，通常是长度是sizeof(_zend_string) + 实际char存储空间。但是，如果使用char，那个这个位置存储的只是一个指针，真实的存储又在另外一片独立的内存区域内。
   使用char[1]和char*的内存分配对比：
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   从逻辑实现的角度来看，两者其实也没有多大区别，效果很类似。而实际上，当这些内存块被载入到CPU的中，就显得非常不一样。前者因为是连续分配在一起的同一块内存，在CPU读取时，通常都可以一同获得（因为会在同一级缓存中）。而后者，因为是两块内存的数据，CPU读取第一块内存的时候，很可能第二块内存数据不在同一级缓存中，使CPU不得不往L2（二级缓存）以下寻找，甚至到内存区域查到想要的第二块内存数据。这里就会引起CPU Cache Miss，而两者的耗时最高可以相差100倍。
   另外，在字符串复制的时候，采用引用赋值，zend_string可以避免的内存拷贝。

4. PHP数组的变化（HashTable和Zend Array）
   在编写PHP程序过程中，使用最频繁的类型莫过于数组，PHP5的数组采用HashTable实现。如果用比较粗略的概括方式来说，它算是一个支持双向链表的HashTable，不仅支持通过数组的key来做hash映射访问元素，也能通过foreach以访问双向链表的方式遍历数组元素。
   PHP5的HashTable（截图来自于PPT）：

   
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   这个图看起来很复杂，各种指针跳来跳去，当我们通过key值访问一个元素内容的时候，有时需要3次的指针跳跃才能找对需要的内容。而最重要的一点，就在于这些数组元素存储，都是分散在各个不同的内存区域的。同理可得，在CPU读取的时候，因为它们就很可能不在同一级缓存中，会导致CPU不得不到下级缓存甚至内存区域查找，也就是引起CPU缓存命中下降，进而增加更多的耗时。
   PHP7的Zend Array（截图来源于PPT）：

   
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   新版本的数组结构，非常简洁，让人眼前一亮。最大的特点是，整块的数组元素和hash映射表全部连接在一起，被分配在同一块内存内。如果是遍历一个整型的简单类型数组，效率会非常快，因为，数组元素（Bucket）本身是连续分配在同一块内存里，并且，数组元素的zval会把整型元素存储在内部，也不再有指针外链，全部数据都存储在当前内存区域内。当然，最重要的是，它能够避免CPU Cache Miss（CPU缓存命中率下降）。
   Zend Array的变化：
   （1） 数组的value默认为zval。
   （2） HashTable的大小从72下降到56字节，减少22%。
   

   （3） Buckets的大小从72下降到32字节，减少50%。
   （4） 数组元素的Buckets的内存空间是一同分配的。
   （5） 数组元素的key（Bucket.key）指向zend_string。
   （6） 数组元素的value被嵌入到Bucket中。
   （7） 降低CPU Cache Miss。

5. 函数调用机制（Function Calling Convention）
   PHP7改进了函数的调用机制，通过优化参数传递的环节，减少了一些指令，提高执行效率。
   PHP5的函数调用机制（截图来自于PPT）：

   
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   图中，在vm栈中的指令send_val和recv参数的指令是相同，PHP7通过减少这两条重复，来达到对函数调用机制的底层优化。
   PHP7的函数调用机制（截图来自于PPT）：

   
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6. 通过宏定义和内联函数（inline），让编译器提前完成部分工作
   C语言的宏定义会被在预处理阶段（编译阶段）执行，提前将部分工作完成，无需在程序运行时分配内存，能够实现类似函数的功能，却没有函数调用的压栈、弹栈开销，效率会比较高。内联函数也类似，在预处理阶段，将程序中的函数替换为函数体，真实运行的程序执行到这里，就不会产生函数调用的开销。
   PHP7在这方面做了不少的优化，将不少需要在运行阶段要执行的工作，放到了编译阶段。例如参数类型的判断（Parameters Parsing），因为这里涉及的都是固定的字符常量，因此，可以放到到编译阶段来完成，进而提升后续的执行效率。
   例如下图中处理传递参数类型的方式，从左边的写法，优化为右边宏的写法。

   
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三、小结
鸟哥的PPT里放出过一组对比数据，就是WordPress在PHP5.6执行100次会产生70亿次的CPU指令执行数目，而在PHP7中只需要25亿次，减少64.2%，这是一个令人震撼的数据。
在鸟哥的整个分享中，给我最深刻的一个观点是：要注意细节，很多个细小的优化，一点点持续地积累，积少成多，最终汇聚为惊艳的成果。为山九仞，岂一日之功，我想大概也是这个道理。
毫无疑问，PHP7在性能方面实现跨越式的提升，如果能够将这些成果应用在PHP的Web系统中，也许我们只需要更少的机器，就可以支撑起更高请求量的服务。PHP7正式版的发布，令人充满无限憧憬。

参考&引用资料：
鸟哥（惠新宸）的分享PPT，http://www.laruence.com/
PHP官方社区，http://php.net/

致谢：
感谢鸟哥（惠新宸）提供的帮助与支持。
原文：http://hansionxu.blog.163.com/blog/static/24169810920158704014772/