带你了解PHP7 性能翻倍的关键

20岁老牌网页程序语言PHP,最快将在10月底释出PHP 7新版,这是十年来的首次大改版,最大特色是在性能上的大突破,能比前一版PHP 5快上一倍,PHP之父Rasmus Lerdorf表示,甚至能比HHVM虚拟机下的PHP程序性能更快。

HHVM 是脸书为自家网站特性而量身客制的PHP优化机制,不见得适用任何网站。但Rasmus Lerdorf表示,新版目标之一就是要让任何网站开发者,就连使用开发框架Drupal、开源电子商务系统Opencart时,都能有不输使用HHVM 技术的性能。在新版发表前夕,他也趁来台参加PHPConf Taiwan年会时,分享PHP 7性能大突破的关键。

一个20年来历经了多 次改版和无数次优化的成熟语言,还能有性能提高一倍的突破绝非易事,Rasmus Lerdorf坦言,不像一般新项目多半容易找出许多改进空间,新版PHP并非修改部分程序就达到了如此的成果。反而是,透过大量细节优化和性能累加 后,PHP 7才具备了不输HHVM的执行性能。

Rasmus Lerdorf与PHP核心贡献团队花了许多心力减少程序运作时搬动的内存位数,由此加速执行的性能。例如,PHP中储存变量的数据架构zval从24位 缩减至16位、Hashtable从72位减少至56位,并检视PHP中的函式,思考有无任何改进性能的空间。

除了从减少内存的使用着手 外,Rasmus Lerdorf更检视CPU的Cache line的运作原理,了解程序代码如何与CPU互动、编译程序如何在新CPU架构下编译程序代码等细节,确保PHP 7的程序代码符合现代CPU的架构。虽然每个项目的优化对性能贡献都低于0.5%,但由于优化的项目很多,或是某项改善的功能会被应用程序反复呼叫,整体 修正的综效结果就能有如此大的进展。

受HHVM刺激,决定打造兼具性能与功能的PHP

Facebook为了优化PHP运作,搭配JIT编 译而打造出虚拟机HHVM。而HHVM虽然拥有快速的执行性能,其为特定用途优化的设计,只能满足小部分的开发者。反之,Rasmus Lerdorf除了想提升PHP的性能表现外,也想要同时满足高端使用者以及业余使用者的需求,让PHP 7成为兼备性能表现及通用功能的程序语言。

然而,开发符合市场上少部分人使用的程序语言并不是难事,但是PHP项目瞄准许多对象,必须同时符合业余使用者及专业开发者需求的原则下,开发难以面面俱 到,因为总是会有部分族群的需求无法被满足,「这就像拿水管大范围的喷洒,而每个人衣服都会被水沾湿一点,但是不会有人的衣服完全湿透。」Rasmus Lerdorf比喻。

不使用外挂框架的PHP的运算性能表现都很优异,但是受到外加框架的影响,原本可以在数秒内处理上千个网页要求的 PHP,性能大幅下降,变为只能处理数十个要求。Rasmus Lerdorf表示,在HHVM出现之前,相较于对PHP性能表现的要求,使用者比较在意PHP能否降低网页开发的难度,而这些框架能让开发者的工作变得 比较简单。但是在Facebook推出HHVM后,引出许多重视PHP性能表现的使用者,让Rasmus Lerdorf意识到许多使用者有性能表现的需求。他开始思考如何将HHVM的JIT架构与PHP融合。

但Rasmus Lerdorf表示,PHP与HHVM两者在架构设计上相当不同,例如,HHVM的多线程架构并不是很稳固。此外,HHVM的可移植性并不佳,离可以在 Windows平台上运作还有很大一段路,而PHP有很多开发者在Windows环境开发,而HHVM无法照顾到那些使用者。

Rasmus Lerdorf表示,他不能放弃PHP的主要架构,虽然他们曾经考虑过融合两者,但是,HHVM在使用上有很多的限制。虽然HHVM对Facebook及 许多开发者是非常好的工具,但对于PHP项目来说,HHVM的使用范畴还不够宽广,只能符合Facebook或是Wikipedia等特定项目的需求。

非强型别语言的PHP,导入JIT是难上加难

然而,在PHP中加入JIT编译是件非常困难的事情。Rasmus Lerdorf表示,JIT必须学会辨认程序的运作模(Patterns),例如了解哪些部份为重要的程序代码,并且在程序运作前,预测程序被呼叫的时 机,或是哪些部分的程序会呼叫。

Rasmus Lerdorf比喻,在许多汽车中,JIT必须能预测哪部分的车子会右转、哪部分的车子会左转或是某些颜色汽车会直行,「而JIT必须要全部预测正确,否则性能会大大的降低。」但是,如果预测正确,程序执行性能则会大大提升。

在一般的程序语言的编译中加入JIT已属不易,Rasmus Lerdorf表示,由于PHP的动态属性(dynamic)让加入JIT是难上加难。他举例,开发者宣告参数$a值为1,但不代表程序所有的$ a的值都为1,由于PHP中参数值可以很轻易地重新定义。在C语言中,当开发者宣告参数a为整数,则a永远为整数。如果程序中有任何地方宣告a是整数以外 的类型,连编译都无法执行。而因为C语言此种强型别的程序语言,「JIT可以预测变量a为整数,但是在PHP中,我们没有这种奢侈。」他解释,HHVM的 做法为当JIT得知a是整数型别后,则假设a永远为整数。

而HHVM为了在使用JIT编译,某种程度上受限了PHP的发展。HHVM的用户 必须清楚宣告变量的性质,但是使用PHP的开发者,可以先宣告没有性质的类别(Class),后续再指定类别的变量属性。「在没有任何限制下,将JIT加 入PHP是我们要做的事。」他表示,PHP必须顾及Wordpress、Drupal等框架的开发者,不能任意停止对此些框架的支持。故与HHVM相 比,PHP在打造JIT的条件限制更多。

但是,「这不代表我们不能做JIT。此外,我们也要控制PHP的发展走向。」Rasmus Lerdorf表示。

目前,PHP核心贡献者之一的Dmitry Stogov开发一个原型JIT,并且使用某些实验性的应用程序去测试运作。Rasmus Lerdorf表示,如果将此JIT用于执行某些重复性的运算或是循环程序,得以让PHP 7性能又再快上10倍。

不过他也坦承,当此实验性的JIT用于Wordpress时,并未得到任何加速效果,「我们想要打造的JIT不是要在大学课本上学到的东西,而是能在真实世 界中运作的JIT。」他表示。因为PHP一直都抱持如此的理想,试图解决人们生活中的问题,并且能真实世界中在线环境中运作,而不只是存在课本中的理论。

Rasmus Lerdorf表示,在PHP刚问世时,他每天至少花16个小时开发PHP。但目前他已经逐渐减少投入开发,转而投注心力在世界各地宣传及演讲。他打趣地 表示:「与其自己开发,不如激励远比我聪明,又愿意一天花十八小时写程序的人去开发PHP。」他表示,他的最终目标是PHP中没有任何一行由他所撰写的程 序代码,「任何在成长中的项目都不应该由一个开发者主导,老旧的程序代码应该被新的程序代码替换。」而他认为,其他开发者应该以此为目标。

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