<p>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。</p>    <p>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）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/8cd0f2790bd7b32a1b2d950d524336c3.png" width="750" height="448"></p>    <p>（注：一个web站点可以会使用多种语言作为它的开发语言）</p>    <p>（注：本文含有不少从鸟哥PPT里的截图，图片版权归鸟哥所有）</p>    <p> </p>    <p>我们先看看两张激动人心的性能测试结果图：</p>    <p>Benchmark对比（图片来自于PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/037d3930573b088bffc4fa2fb21353bc.png" width="750" height="429"></p>    <p>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%。</p>    <p>WordPress的QPS压测（图片来自于PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/84f16d0e5a53056e511e7c595344eab9.png" width="750" height="376"></p>    <p>而在WordPress项目中，PHP7对比PHP5.6，QPS提升2.77倍。</p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>一、新增特性和改变</p>    <p>1. 标量类型和返回类型声明（Scalar Type Declarations & Scalar Type Declarations）</p>    <p>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。</p>    <p>例如一个add函数加上类型定义，可以写成这样：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/95a95c27940077d66dd8fb6f65f2f30f.png" width="499" height="72"></p>    <p>如果配合强制类型开关指令，则可以变为这样：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/9b2b61dc9163ac5907dad18b8742ea5c.png" width="540" height="117"></p>    <p>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。</p>    <p>更为详细的介绍：</p>    <p><a href="/misc/goto?guid=4958967490405644242">PHP7标量类型声明RFC[翻译]  </a></p>    <p> </p>    <p>2. 更多的Error变为可捕获的Exception</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>如下图中的例子（截图来源于PPT内）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/e2eba64d54dd2dc0d3041230e214d908.png" width="750" height="474"></p>    <p> </p>    <p>3. AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树）</p>    <p>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。</p>    <p>PHP5：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/d29b63c0cb5e817322967dfe1263b99b.jpg" width="750" height="168"> </p>    <p>PHP7：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/11c27120cab9c6da775bb9656dd9fec2.jpg" width="750" height="118"></p>    <p>更多AST信息：</p>    <p><a href="/misc/goto?guid=4958967490504940929" rel="nofollow">https://wiki.php.net/rfc/abstract_syntax_tree</a></p>    <p> </p>    <p>4. Native TLS（Native Thread local storage，原生线程本地存储）</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>相关的Native TLS问题：</p>    <p><a href="/misc/goto?guid=4958967490586463582" rel="nofollow">https://wiki.php.net/rfc/native-tls</a></p>    <p> </p>    <p>5. 其他新特性</p>    <p>PHP7新特性和变化不少，我们这里并不全部展开来细说哈。</p>    <p>（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。</p>    <p>（2） 统一变量语法（Uniform variable syntax）。</p>    <p>（3） foreach表现行为一致（Consistently foreach behaviors）</p>    <p>（4） 新的操作符 <=>, ??</p>    <p>（5） Unicode字符格式支持（\u{xxxxx}）</p>    <p>（6） 匿名类支持（Anonymous Class）</p>    <p>… …</p>    <p> </p>    <p>二、跨越式的性能突破：全速前进</p>    <p>1. JIT与性能</p>    <p>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是一个非死book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。</p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p><img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/6565a38401797212bf6ad82c37114910.png" width="750" height="83"></p>    <p>  </p>    <p>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。</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/76f67a998450da42118adfbee7d1e1ed.png" width="750" height="197"></p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>执行100次WordPress的CPU消耗的分布（截图来自PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/d6beffa8a6f3757667f6edc23ce5a0d2.png" width="686" height="418"></p>    <p>注解：</p>    <p>21%CPU时间花费在内存管理。</p>    <p>12%CPU时间花费在hash table操作，主要是PHP数组的增删改查。</p>    <p>30%CPU时间花费在内置函数，例如strlen。</p>    <p>25%CPU时间花费在VM（Zend引擎）。</p>    <p> </p>    <p>经过分析之后，得到了两个结论：</p>    <p>（1）JIT生成的ByteCodes如果太大，会引起CPU缓存命中率下降（CPU Cache Miss）</p>    <p>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）。</p>    <p>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。</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/cf14376f1daa37a38d70e509ea852279.png" width="743" height="314"> </p>    <p>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：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/65cb352e9552652e33a446669623e251.png" width="372" height="273"></p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>（2）JIT性能的提升效果取决于项目的实际瓶颈</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>2. Zval的改变</p>    <p>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。</p>    <p>PHP5的Zval，内存占据24个字节（截图来自PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/3ca4070514337f96f935432b9152c7a4.png" width="376" height="357"></p>    <p>PHP7的Zval，内存占据16个字节（截图来自PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/64de8fc0c087856f5101e0021677e3b0.png" width="470" height="660"></p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>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。</p>    <p>Zval结构图（来源于PPT中）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/fa8563df836fffcd732891a71c832728.png" width="750" height="300"></p>    <p>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。</p>    <p>对于简单的变量类型来说，Zval的存储变得非常简单和高效。</p>    <p>不需要引用的类型：NULL、Boolean、Long、Double</p>    <p>需要引用的类型：String、Array、Object、Resource、Reference</p>    <p> </p>    <p>3. 内部类型zend_string</p>    <p>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）。</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/58bcdb574477e384c76aff8c13e41842.png" width="750" height="385"></p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>使用char[1]和char*的内存分配对比：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/5583a09001c155e1e58738b4336e1a5c.png" width="750" height="357"></p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p> </p>    <p>6. PHP数组的变化（HashTable和Zend Array）</p>    <p>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。</p>    <p>PHP5的HashTable（截图来自于PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/af530ebc03122ff67a4d9fda3b403784.png" width="750" height="567"></p>    <p>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。</p>    <p>PHP7的Zend Array（截图来源于PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/9bffa06afc5f3513e6aa7111b734a7d0.png" width="741" height="671"></p>    <p>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）。</p>    <p>Zend Array的变化：</p>    <p>（1） 数组的value默认为zval。</p>    <p>（2） HashTable的大小从72下降到56字节，减少22%。</p>    <p>（3） Buckets的大小从72下降到32字节，减少50%。</p>    <p>（4） 数组元素的Buckets的内存空间是一同分配的。</p>    <p>（5） 数组元素的key（Bucket.key）指向zend_string。</p>    <p>（6） 数组元素的value被嵌入到Bucket中。</p>    <p>（7） 降低CPU Cache Miss。</p>    <p> </p>    <p>7. 函数调用机制（Function Calling Convention）</p>    <p>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。</p>    <p>PHP5的函数调用机制（截图来自于PPT）：</p>    <p><img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/036a3c6ae678a5723908905870470a59.jpg" width="750" height="412"></p>    <p>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。</p>    <p>PHP7的函数调用机制（截图来自于PPT）：</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/500846cf7ace0af911d83de0889b0311.png" width="750" height="325"></p>    <p> </p>    <p>8. 通过宏定义和内联函数（inline），让编译器提前完成部分工作</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p> <img alt="PHP7革新与性能优化" src="https://simg.open-open.com/show/015a8f4907892578f3e983080fd29557.jpg" width="750" height="134"></p>    <p> </p>    <p>三、小结</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>来自：http://hansionxu.blog.163.com/blog/static/24169810920158704014772/</p>    <p> </p>