執行效率提高之PHP7升級實踐

QQ會員活動運營平台（AMS），是QQ會員增值運營業務的重要載體之一，承擔海量活動運營的Web系統。AMS是一個主要采用PHP語言實現的活動運營平台， CGI日請求3億左右，高峰期達到8億。然而，在之前比較長的一段時間裡，我們都采用了比較老舊的基礎軟件版本，就是PHP5.2+Apache2.0（2008年的技術）。尤其從去年開始，隨著AMS業務隨著QQ會員增值業務的快速增長，性能壓力日益變大。

於是，自2015年5月，我們就開始規劃PHP底層升級，最終的目標是升級到PHP7。那時，PHP7尚處於研發階段，而我們討論和預研就已經開始了。

一、PHP7的學習和預研 1. HHVM和JIT

2015年就PHP性能優化的方案，有另外一個比較重要的角色，就是由Facebook開源的HHVM（HipHop Virtual Machine，HHVM是一個Facebook開源的PHP虛擬機）。HHVM使用JIT（Just In Time，即時編譯是種軟件優化技術，指在運行時才會去編譯字節碼為機器碼）的編譯方式以及其他技術，讓PHP代碼的執行性能大幅提升。據傳，可以將PHP5版本的原生PHP代碼提升5-10倍的執行性能。

HHVM起源於Facebook公司，Facebook早起的很多代碼是使用PHP來開發的，但是，隨著業務的快速發展，PHP執行效率成為越來越明顯的問題。為了優化執行效率，Facebook在2008年就開始使用HipHop，這是一種PHP執行引擎，最初是為了將 Fackbook的大量PHP代碼轉成 C++，以提高性能和節約資源。使用HipHop的PHP代碼在性能上有數倍的提升。後來，Facebook將HipHop平台開源，逐漸發展為現在的 HHVM。

HHVM成為一個PHP性能優化解決方案時，PHP7還處於研發階段。曾經看過部分同學對於HHVM的交流，性能可以獲得可觀的提升，但是服務運維和PHP語法兼容有一定成本。有一陣子，JIT成為一個呼聲很高的東西，很多技術同學建議PHP7也應該通過JIT來優化性能。

2015年7月，我參加了中國PHPCON，聽了惠新宸關於PHP7內核的技術分享。實際上，在2013年的時候，惠新宸（PHP7內核開發者）和Dmitry（另一位PHP語言內核開發者之一）就曾經在PHP5.5的版本上做過一個JIT的嘗試（並沒有發布）。PHP5.5的原來的執行流程，是將PHP代碼通過詞法和語法分析，編譯成opcode字節碼（格式和匯編有點像），然後，Zend引擎讀取這些opcode指令，逐條解析執行。

而他們在opcode環節後引入了類型推斷（TypeInf），然後通過JIT生成ByteCodes，然後再執行。

於是，在benchmark（測試程序）中得到非常好的結果，實現JIT後性能比PHP5.5提升了8倍。然而，當他們把這個優化放入到實際的項目WordPress（一個開源博客項目）中，卻幾乎看不見性能的提升。原因在於測試項目的代碼量比較少，通過JIT產生的機器碼也不大，而真實的WordPress項目生成的機器碼太大，引起CPU緩存命中率下降（CPU Cache Miss）。

總而言之，JIT並非在每個場景下都是點石成金的利器，而脫離業務場景的性能測試結果，並不一定具有代表性。

從官方放出Wordpress的PHP7和HHVM的性能對比可以看出，兩者基本處於同一水平。

2.PHP7在性能方面的優化

PHP7是一個比較底層升級，比起PHP5.6的變化比較大，而就性能優化層面，大致可以匯總如下：

（1）將基礎變量從struct（結構體）變為union（聯合體），節省內存空間，間接減少CPU在內存分配和管理上的開銷。

（2）部分基礎變量（zend_array、zend_string等）采用內存空間連續分配的方式，降低CPU Cache Miss的發生的概率。CPU從CPU Cache獲取數據和從內存獲取，它們之間效率相差可以高達100倍。舉一個近似的例子，系統從內存讀取數據和從磁盤讀取數據的效率差別很大，CPU Cache Miss類似遇到缺頁中斷。

（3）通過宏定義和內聯函數（inline），讓編譯器提前完成部分工作。無需在程序運行時分配內存，能夠實現類似函數的功能，卻沒有函數調用的壓棧、彈棧開銷，效率會比較高。

… …

更多更詳細關於PHP7的介紹，有興趣的同學可以查看：《 PHP7革新與性能優化 》

3.AMS平台技術選型的背景

就提升PHP的性能而言，可以選擇的是2015年就可直接使用的HHVM或者是2015年底才發布正式版的PHP7。會員AMS是一個訪問量級比較大的一個Web系統，經過四年持續的升級和優化，積累了800多個業務功能組件，還有各種PHP編寫的公共基礎庫和腳本，代碼規模也比較大。

我們對於PHP版本對代碼的向下兼容的需求是比較高的，因此，就我們業務場景而言，PHP7良好的語法向下兼容，正是我們所需要的。因此，我們選擇以PHP7為升級的方案。

二、PHP7升級面臨的風險和挑戰

對於一個已經現網在線的大型公共Web服務來說，基礎公共軟件升級，通常是一件吃力不討好的工作，做得好，不一定被大家感知到，但是，升級出了問題，則需要承擔比較重的責任。為了盡量減少升級的風險，我們必須先弄清楚我們的升級存在挑戰和風險。

於是，我們整理了升級挑戰和風險列表：

（1）Apache2.0和PHP5.2這兩個2008-2009年的基礎軟件版本比較古老，升級到Apache2.4和PHP7，版本升級跨度比較大，時間跨度相差7-8年，因此，兼容性問題挑戰比較高。實際上，我們公司的現網PHP服務，很多都停留在PHP5.2和PHP5.3的版本，版本偏低。

（2）AMS大量使用自研tphplib擴展，tphplib很早在公司內部就沒有人維護了，這個擴展之前只有PHP5.3和PHP5.2的編譯so版本，並且，部分擴展沒有支持線程安全。支持線程安全，是因為我們以前的Apache使用了prefork模式，而我們希望能夠使用Apache2.4的Event模式（2014年中，在prefork和worker之後，推出的多進程線程管理模式，對於支持高並發，有更良好的表現）。

（3）語法兼容性問題，從PHP5.2到PHP7的跨度過大，即使PHP官方號稱在向下兼容方面做到99%，但是，我們的代碼規模比較大，它仍然是一個未知的風險。

（4）新軟件面臨的風險，將Apache和PHP這種基礎軟件升級到最新的版本，而這些版本的部分功能可能存在未知的風險和缺陷。

部分同學可能會建議采用Nginx會是更優的選擇，的確，單純比較Nginx和Apache在高並發方面的性能，Nginx的表現更優。但是就PHP的CGI而言，Nginx+php-ftpm和Apache+mod_php兩者並沒有很大的差距。另一方面，我們因為長期使用Apache，在技術熟悉和經驗方面積累更多，因此，它可能不是最佳的選擇，但是，具體到我們業務場景，算是比較合適的一個選擇。

三、版本升級實施過程 1.高跨度版本升級方式

從一個2008年的Apache2.0直接升級到2016年的Apache2.4，這個跨度過於大，甚至使用的http.conf的配置文件都有很多的不同，這裡的需要更新的地方比較多，未知的風險也是存在的。於是，我們的做法，是先嘗試將Apache2.0升級到Apach2.2，調整配置、觀察穩定性，然後再進一步嘗試到Apach2.4。所幸的是，Apache（httpd）是一個比較特別的開源社區，他們之前一直同時維護這兩個分支版本的Apache（2.2和2.4），因此，即使是Apache2.2也有比較新的版本。

於是，我們先升級了一個PHP5.2+Apache2.2，對兼容性進行了測試和觀察，確認兩者之間是可以比較平滑升級後，我們開始進行Apache2.4的升級方案。

PHP5.2的升級，我們也采用相同的思路，我們先將PHP5.2升級至PHP5.6（當時，PHP7還是beta版本），然後再將PHP5.6升級到PHP7，以更平滑的方式，逐步解決不同的問題。

於是，我們的升級計劃變為：

Apache2.4編譯為動態MPM的模式（支持通過httpd配置切換prefork/worker/event模式），根據現網風險等實時降級。

Prefork、Worker、Event三者粗略介紹：

（1）prefork，多進程模式，1個進程服務於1個用戶請求，成本比較高。但是，穩定性最高，不需要支持線程安全。

（2）worker，多進程多線程模式，1個進程含有多個worker線程，1個worker線程服務於1個用戶請求，因為線程更輕量，成本比較低。但是，在KeepAlive場景下，worker資源會被client占據，無法響應其他請求（空等待）。

（3）event，多進程多線程模式，1個進程也含有多個worker線程，1個worker線程服務於1個用戶請求。但是，它解決了KeepAlive場景下的worker線程被占據問題，它通過專門的線程來管理這些KeepAlive連接，然後再分配“工作”給具體處理的worker，工作worker不會因為KeepAlive而導致空等待。

關於Event模式的官方介紹：

http://httpd.apache.org/docs/2.4/mod/event.html

（部分同學可能會有event模式不支持https的印象，那個說法其實是2年多以前的國內部分技術博客的說法，目前的版本是支持的，詳情可以浏覽官方介紹）

開啟動態切換模式的方法，就是在編譯httpd的時候加上：

–enable-mpms-shared=all

從PHP5.2升級到PHP5.6相對比較容易，我們主要的工作如下：

（1）清理了部分不再使用的老擴展

（2）解決掉線程安全問題

（3）將cmem等api編譯到新的版本

（4）PHP代碼語法基於PHP5.6的兼容（實際上變化不大）

（5）部分擴展的同步調整。apc擴展變為zend_opcache和apcu，以前的apc是包含了編譯緩存和用戶內存操作的功能，在PHP比較新版本裡，被分解為獨立的兩個擴展。

從PHP5.6升級到PHP7.0的工作量就比較多，也相對比較復雜，因此，我們制定了每一個階段的升級計劃：

（1）技術預研，PHP7升級准備。

（2）環境編譯和搭建，下載相關的編譯包，搭建完整的編譯環境和測試環境。（編譯環境還是需要比較多的依賴so）

（3）兼容升級和測試。PHP7擴展的重新編譯和代碼兼容性工作，AMS功能驗證，性能壓測。

（4）線上灰度。打包為pkg的安裝包，編寫相關的安裝shell安裝執行代碼（包括軟鏈接、解決一些so依賴）。然後，灰度安裝到現網，觀察。

（5）正式發布。擴大灰度范圍，全量升級。

因為從PHP5.2升級到PHP5.6的過程中，很多問題已經被我們提前解決了，所以，PHP7的升級主要難點在於tphplib擴展的編譯升級。

涉及主要的工作包括：

（1）PHP5.6的擴展到PHP7.0的比較大幅度改造升級（工作量比較大的地方）

（2）兼容apcu的內存操作函數的改名。PHP5的時候，我們使用的apc前綴的函數不可用了，同步變為apcu前綴的函數（需要apcu擴展）。

（3）語法兼容升級。實際上工作量不算大，從PHP5.6升級到PHP7變化並不多。

我們大概在2016年4月中旬份完成了PHP7和Apache的編譯工作， 4月下旬進行現網灰度，5月初全量發布到其中一個現網集群。

2.升級過程中的錯誤調試方法

在升級和重新編譯PHP7擴展時，如果執行結果不符合預期或者進程core掉，很多錯誤都是無法從error日志裡看見的，不利於分析問題。可以采用以下幾種方法，可以用來定位和分析大部分的問題：

（1）var_dump/exit

從PHP代碼層逐步輸出信息和執行exit，可以逐步定位到異常執行的PHP函數位置，然後再根據PHP函數名，反查擴展內的實現函數，找到問題。這種方法比較簡單，但是效率不高。

（2）gdb –p/gdb c

這種方法主要用於分析進程core的場景，我們采用的編譯方式，是將mod_php（PHP變成Apache的子或塊的方式），使用gdb –p來監控Apache的服務進程。

命令：ps aux|grep httpd

gdb調試指定進程：

命令：gdb -p

使用c進行捕獲，然後構造能夠導致core的web請求：

Apache通常是多進程模式，為了讓問題比較容易復現，可以在http.con裡修改參數，將啟動進程數修改為1個（下圖中的多個參數都需要調整，以達到只啟動單進程單線程的目的）。

當然還有一種更簡單的方法，因為Apache本身就支持單進程調試模式的。

./apachectl -k start -X -e debug

然後再通過gdb –p來調試就更簡單一些。

（3）通過strace命令查看Apache進程具體在做了些什麼事情，根據裡面的執行內容，分析和定位問題。

strace -Ttt -v -s1024 -f -p pid（進程id）

備注：執行這些命令，注意權限問題，很可能需要root權限。

四、PHP5.6到PHP7.0擴展升級實踐記錄 1. 數據類型的變化（1）zval

php7的誕生始於zval結構的變化，PHP7不再需要指針的指針，絕大部分zval**需要修改成zval*。如果PHP7直接操作zval，那麼zval*也需要改成zval，Z_*P()也要改成Z_*()，ZVAL_*(var, …)需要改成ZVAL_*(&var, …)，一定要謹慎使用&符號，因為PHP7幾乎不要求使用zval*，那麼很多地方的&也是要去掉的。

ALLOC_ZVAL，ALLOC_INIT_ZVAL，MAKE_STD_ZVAL這幾個分配內存的宏已經被移除了。大多數情況下，zval*應該修改為zval，而INIT_PZVAL宏也被移除了。

/* 7.0zval結構源碼 */
/* value字段，僅占一個size_t長度，只有指針或double或者long */
typedef union _zend_value {
    zend_long         lval;                /* long value */
    double            dval;                /* double value */
    zend_refcounted  *counted;
    zend_string      *str;
    zend_array       *arr;
    zend_object      *obj;
    zend_resource    *res;
    zend_reference   *ref;
    zend_ast_ref     *ast;
    zval             *zv;
    void             *ptr;
    zend_class_entry *ce;
    zend_function    *func;
    struct {
        uint32_t w1;
        uint32_t w2;
    } ww;
} zend_value;

struct _zval_struct {
    zend_value        value;            /* value */
    union {
        。。。
    } u1;/* 擴充字段，主要是類型信息 */
    union {
        … …
    } u2;/* 擴充字段，保存輔助信息 */
};

（2）整型

直接切換即可：

long->zend_long

/* 定義 */
typedef int64_t zend_long;
/* else */
typedef int32_t zend_long;

（3）字符串類型

PHP5.6版本中使用char* + len的方式表示字符串，PHP7.0中做了封裝，定義了zend_string類型：

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;
    zend_ulong        h;                /* hash value */
    size_t            len;
    char              val[1];
};

zend_string和char*的轉換：

zend_string *str;
char *cstr = NULL;
size_t slen = 0;
//...
/* 從zend_string獲取char* 和 len的方法如下 */
cstr = ZSTR_VAL(str);
slen = ZSTR_LEN(str);
/* char* 構造zend_string的方法 */
zend_string * zstr = zend_string_init("test",sizeof("test"), 0);

擴展方法，解析參數時，使用字符串的地方，將‘s’替換成‘S’：

/* 例如 */
zend_string *zstr;
if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() , "S", &zstr) == FAILURE)
{
    RETURN_LONG(-1);
}

（4）自定義對象

源代碼：

/* php7.0 zend_object 定義 */
struct _zend_object {
    zend_refcounted_h gc;
    uint32_t          handle;
    zend_class_entry  *ce;
    const zend_object_handlers  *handlers;
    HashTable        *properties;
    zval              properties_table[1];
};

zend_object是一個可變長度的結構。因此在自定義對象的結構中，zend_object需要放在最後一項：

/* 例子 */
struct clogger_object {
    CLogger *logger;
    zend_object  std;// 放在後面
};
/* 使用偏移量的方式獲取對象 */
static inline clogger_object *php_clogger_object_from_obj(zend_object *obj) {
    return (clogger_object*)((char*)(obj) - XtOffsetOf(clogger_object, std));
}
#define Z_USEROBJ_P(zv) php_clogger_object_from_obj(Z_OBJ_P((zv)))
/* 釋放資源時 */
void tphp_clogger_free_storage(zend_object *object TSRMLS_DC)
{
    clogger_object *intern = php_clogger_object_from_obj(object);
    if (intern->logger)
    {
        delete intern->logger;
        intern->logger = NULL;
    }
    zend_object_std_dtor(&intern->std);
}

（5）數組

7.0中的hash表定義如下，給出了一些注釋：
/* 7.0中的hash表結構 */
typedef struct _Bucket { /* hash表中的一個條目 */
zval              val;   /* 刪除元素zval類型標記為IS_UNDEF */
zend_ulong        h;                /* hash value (or numeric index)   */
zend_string      *key;              /* string key or NULL for numerics */
} Bucket;        
typedef struct _zend_array HashTable;    
struct _zend_array {
    zend_refcounted_h gc;
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    flags,
                zend_uchar    nApplyCount,
                zend_uchar    nIteratorsCount,
                zend_uchar    reserve)
        } v;
        uint32_t flags;
    } u;
    uint32_t          nTableMask;
    Bucket           *arData; /* 保存所有數組元素 */
    uint32_t          nNumUsed; /* 當前用到了多少長度， */
    uint32_t          nNumOfElements; /* 數組中實際保存的元素的個數,一旦nNumUsed的值到達nTableSize，PHP就會嘗試調整arData數組，讓它更緊湊，具體方式就是拋棄類型為UDENF的條目 */
    uint32_t          nTableSize; /* 數組被分配的內存大小為2的冪次方（最小值為8） */
    uint32_t          nInternalPointer;
    zend_long         nNextFreeElement;
    dtor_func_t       pDestructor;
};

其中，PHP7在zend_hash.h中定義了一系列宏，用來操作數組，包括遍歷key、遍歷value、遍歷key-value等，下面是一個簡單例子：

/* 數組舉例 */
zval *arr;
zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS() , "a", &arr_qos_req);
if (arr)
{
    zval *item;
    zend_string *key;
    ZEND_HASH_FOREACH_STR_KEY_VAL(Z_ARRVAL_P(arr), key, item) {
        /* ... */
    }
}
/* 獲取到item後，可以通過下面的api獲取long、double、string值 */
zval_get_long(item) 
zval_get_double(item) 
zval_get_string(item)

PHP5.6版本中是通過zend_hash_find查找key，然後將結果給到zval **變量，並且查詢不到時需要自己分配內存，初始化一個item，設置默認值。

2. PHP7中的api變化 （1）duplicate參數

PHP5.6中很多API中都需要填入一個duplicate參數，表明一個變量是否需要復制一份，尤其是string類的操作，PHP7.0中取消duplicate參數，對於string相關操作，只要有duplicate參數，直接刪掉即可。因為PHP7.0中定義了zval_string結構，對字符串的操作，不再需要duplicate值，底層直接使用zend_string_init初始化一個zend_string即可，而在PHP5.6中string是存放在zval中的，而zval的內存需要手動分配。

涉及的API匯總如下：

引用

add_index_string、add_index_stringl、add_assoc_string_ex、add_assoc_stringl_ex、add_assoc_string、add_assoc_stringl、add_next_index_string、add_next_index_stringl、add_get_assoc_string_ex、add_get_assoc_stringl_ex、add_get_assoc_string、add_get_assoc_stringl、add_get_index_string、add_get_index_stringl、add_property_string_ex、add_property_stringl_ex、add_property_string、add_property_stringl、ZVAL_STRING、ZVAL_STRINGL、RETVAL_STRING、RETVAL_STRINGL、RETURN_STRING、RETURN_STRINGL

（2）MAKE_STD_ZVAL

PHP5.6中，zval變量是在堆上分配的，創建一個zval變量需要先聲明一個指針，然後使用MAKE_STD_ZVAL進行分配空間。PHP7.0中，這個宏已經取消，變量在棧上分配，直接定義一個變量即可，不再需要MAKE_STD_ZVAL，使用到的地方，直接去掉就好。

（3）ZEND_RSRC_DTOR_FUNC

修改參數名rsrc為res

/* PHP5.6 */
typedef struct _zend_rsrc_list_entry {
    void *ptr;
    int type;
    int refcount;
} zend_rsrc_list_entry;
typedef void (*rsrc_dtor_func_t)(zend_rsrc_list_entry *rsrc TSRMLS_DC);
#define ZEND_RSRC_DTOR_FUNC(name)        void name(zend_rsrc_list_entry *rsrc TSRMLS_DC)

/* PHP7.0 */
struct _zend_resource {
    zend_refcounted_h gc;/*7.0中對引用計數做了結構封裝*/
    int               handle;
    int               type;
    void             *ptr;
};
typedef void (*rsrc_dtor_func_t)(zend_resource *res);
#define ZEND_RSRC_DTOR_FUNC(name) void name(zend_resource *res)

PHP7.0中，將zend_rsrc_list_entry結構升級為zend_resource，在新版本中只需要修改一下參數名稱即可。

（4）二級指針宏，即Z_*_PP

PHP7.0中取消了所有的PP宏，大部分情況直接使用對應的P宏即可。

（5）zend_object_store_get_object被取消

根據官方wiki，可以定義如下宏，用來獲取object，實際情況看，這個宏用的還是比較頻繁的：

static inline user_object *user_fetch_object(zend_object *obj) {
    return (user_object *)((char*)(obj) - XtOffsetOf(user_object, std));
}
/* }}} */ 
#define Z_USEROBJ_P(zv) user_fetch_object(Z_OBJ_P((zv)))

（6）zend_hash_exists、zend_hash_find

對所有需要字符串參數的函數，PHP5.6中的方式是傳遞兩個參數（char* + len），而PHP7.0中定義了zend_string，因此只需要一個zend_string變量即可。

返回值變成了zend_bool類型：

/* 例子 */
zend_string * key;  
key = zend_string_init("key",sizeof("key"), 0);
zend_bool res_key = zend_hash_exists(itmeArr, key);

引用

【參考資料】

1. php5 to phpng：http://yaoguais.com/?s=md/php/php7-vm.md

2. PHP擴展開發及內核應用：http://www.walu.cc/phpbook/10.1.md

3. PHP 7中新的Hashtable實現和性能改進：http://gywbd.github.io/posts/2014/12/php7-new-hashtable-implementation.html

4. 深入理解PHP7之zval：https://github.com/laruence/php7-internal/blob/master/zval.md

5. 官方wiki：https://wiki.php.net/phpng-upgrading

6. PHP手冊：http://php.net/manual/zh/index.php

7. PHP7 使用資源包裹第三方擴展的實現及其源碼解讀：https://mengkang.net/684.html

五、AMS平台升級PHP7的性能優化成果

現網服務是一個非常重要而又敏感的環境，輕則影響用戶體驗，重則產生現網事故。因此，我們4月下旬完成PHP7編譯和測試工作之後，就在AMS其中一台機器進行了灰度上線，觀察了幾天後，然後逐步擴大灰度范圍，在5月初完成升級。

這個是我們壓測AMS一個查詢多個活動計數器的壓測結果，以及現網CGI機器，在高峰相同TGW流量場景下的CPU負載數據：

就我們的業務壓測和現網結果來看，和官方所說的性能提升一倍，基本一致。

AMS平台擁有不少的CGI機器，PHP7的升級和應用給我們帶來了性能的提升，可以有效節省硬件資源成本。並且，通過Apache2.4的Event模式，我們也增強了Apache在支持並發方面的能力。

六、小結

我們PHP7升級研發項目組，在過去比較長的一個時間段裡，經過持續地努力和推進，終於在2016年4月下旬現網灰度，5月初在集群中全量升級，為我們的AMS活動運營平台帶來性能上大幅度的提升。

PHP7的革新，對於PHP語言本身而言，具有非凡的意義和價值，這讓我更加確信一點，PHP會是一個越來越好的語言。同時，感謝PHP社區的開發者們，為我們業務帶來的性能提升。