php7性能优化

2015年，PHP7的发布可以说是在技术圈里引起了不小的轰动，因为它的执行效率比PHP5直接翻了一倍。本人写过五六年PHP，三年python，三年Java，感觉现在的PHP性能真不慢，开发效率也很高。 开发效率比Java高太多了。性能比python也强很多。曾经压测go框架Gin和swoole，性能都差不多。当然只是做了一个很简单的接口，go还是一门相当不错的语言。下面来探探php7优化的一些思想。

php7的zval的变化

1. 存储变量的结构体变小，结构体成员尽量公用内存，内存占用降低，php7⼀个变量实际占⽤的内存⼤⼩为8字节，php5占用48字节，操作变快
2. php5是通过MAKE_STD_ZVAL动态的从堆内存上分配一个zval内存，php7直接使用栈内存，少了一次内存分配，php在大量创建变量时，php7会在栈上预分配一块内存来存放这些zval，栈内存可直接读取，堆内存不可以，节省了大量的内存分配和管理操作。

php5.3中的zval

在64位操作系统下，该zval_struct结构体中的由四个成员构成，其中zvalue_value稍微复杂一些，是一个联合体。联合体中最长的成员是一个指针加一个int，8+4=12字节。但是默认情况下，会进行内存对齐，故zval_struct会占用16字节。那么。

_zval_struct总的字节 = value（16）+ refcount__gc（4）+ type（1）+ is_ref__gc（1）= 占用22字节。

最后再考虑下内存对齐，实际占用24字节。

php7中的zval

7.2中的zval_struct结构体里由3个成员构成，其中zend_value看起来比较复杂，实际上只是一个8字节的联合体。u1也是一个联合体，占用是4个字节。u2也一样。这样zval_struct就实际占用16个字节。

PHP7 数据存储的变化

hash计算：PHP底层对于字符串、数组、类属性、类方法、函数，访问时都要先通过hashtable查找到对应的指针，再执行对应的操作

1. PHP7为字符串单独创建了新类型叫做zend_string，除了char *指针和长度之外，增加了一个hash字段，用于保存字符串的hash值。
2. array查询有大量的$array[$key]，大部分情况下$key的值都是不变的，PHP7将hash值保存起来,节省了大量的hash计算。
3. 数组元素与hash映射表共享内存，降低了内存空间的占用。

PHP7 hashtable 存储变化

PHP5的链表是物理上的链表，链表中bucket之间的上下游关系通过真实存在的指针维护。 PHP7的链表是⼀种逻辑上的链表，所有bucket都分配在连续的数组内存中，不再通过指针维护上下游关系，每⼀个bucket只维护下⼀个bucket在数组中的索引（因为是连续内存，通过索引可以快速定位到bucket），即可完成链表上bucket的遍历。 哈希冲突：哈希冲突一般用链地址法或开放寻址法，PHP5和PHP7都使用链地址法解决哈希冲突，因为本来就是维护的哈希链表。 hashtable桶内直接存放数据，减少了内存申请次数，顺便也提升了cache命中率和访问速度。php7的arData就是一块大内存。

在5.3里HashTable就是一个大struct，

uint nTableSize 4字节

uint nTableMask 4字节

uint nNumOfElements 4字节，

ulong nNextFreeElement 8字节 注意这前面的4个字节会被浪费掉，因为nNextFreeElement的开始地址需要对齐

Bucket *pInternalPointer 8字节

Bucket *pListHead 8字节

Bucket *pListTail 8字节

Bucket **arBuckets 8字节

dtor_func_t pDestructor 8字节

zend_bool persistent 1字节

unsigned char nApplyCoun 1字节

zend_bool bApplyProtection 1字节

最终，总字节数 = 4+4+4+4(nNextFreeElement前面这四个字节会留空)+8+8+8+8+8+8+1+1+1 = 67字节。再加上结构体本身要对齐到8的整数倍，所以实际占用72字节。

在7.2里HashTable

zend_refcounted_h gc 看起来唬人，实际就是个long，占用8字节

union... u 占用4字节

uint32_t 占用4字节

Bucket* 指针占用8字节

uint32_t nNumUsed 占用4字节

uint32_t nNumOfElements 占用4字节

uint32_t nTableSize 占用4字节

uint32_t nInternalPointer 占用4字节

zend_long nNextFreeElement 占用8字节

dtor_func_t pDestructor 占用8字节

总占用

字节数 = 8+4+4+8+4+4+4+4+8+8 = 56字节，并且正好达到了内存对齐的状态，没有额外的浪费。

另外还有PHP源代码里经常出镜的Buckets也从72下降到了32字节了。

函数调用

1. 改进了函数的调用机制，通过对参数传递环节的优化，减少一些指令操作，提高了执行效
2. PHP程序中会大量使用call_user_function, is_int/string/array, strlen , defined 函数。PHP5 都是以扩展函数的方式提供，PHP7中这4类函数改成ZendVM的OPCODE指令，执行更快。

思路分析

从上面两个数据结构来看，都有很大的变化，从HashTable看，从72字节优化到了56字节，这内存节约20%多。在高性能上，每一字节内存都是非常珍贵的。Elasticsearch是一个非常出色的搜索引擎，研究过Elasticsearch就知道它在存储和查询的每个字节都设计的非常精妙。 个人从CPU层面分析下，有这两方面原因：

1. CPU在向内存要数据的时候是以Cache Line为单位进行的，而Cache Line的大小就是64字节。回过头来看HashTable，在7.2里的56字节，只需要CPU向内存进行一次Cache Line大小的burst IO，就够了。而在5.3里的72字节，虽然只比Cache Line大了那么一丢丢，但是必须得进行两次burst IO才可以。所以，在计算机里，56字节相对72字节实际上是翻倍的性能提升！！
2. CPU的L1、L2、L3的容量是固定的几十K或者几十M。假设Cache的都是HashTable，那么Cache容量不变的条件下，能Cache住的HashTable将会翻倍，缓存命中率提升一大截。要知道L1命中后只需要1ns多一点的耗时，而如果穿透到内存的话可能就需要40多纳秒的延时了，整整差了几十倍

最后，致敬PHP内核开发者，真的大牛，深谙CPU与内存的工作原理，表面上看起来只是几个字节的节约，但是实际上爆发出了巨大的性能提升！！

zend_parse_parameters改为宏实现，性能提升15%

AST（Abstract syntax tree）抽象语法树

PHP7 的内核中有一个重要的变化是加入了 AST（Abstract syntax tree）抽象语法树，指代码在计算机内存的一种树状数据结构，树上的每个节点都表示源代码中的一种结构，便于计算机理解和解析。

在 PHP5系列版本中，从 php 脚本到 opcodes 的执行的过程如下：

词法扫描分析（Lexing）：将源文件转换成 token 流；

语法分析（Parsing）：生成 op arrays。

PHP7 中在语法分析阶段先生成 AST：

词法扫描分析（Lexing）：将源文件转换成 token 流。

语法分析（Parsing）：从 token 流生成抽象语法树。

Compilation：从抽象语法树生成 op arrays。

这个表达式（$a)['b'] = 1 就会被解析成下图这样的一棵树结构

PHP8 引入JIT

PHP 8 引入了 JIT 编译器，这是一个重要的性能改进。JIT 编译器可以对一些高频执行的代码进行实时编译和优化，变成本地机器码，从而提高运行速度。根据 PHP 官方的测试数据，PHP 8 的性能比 PHP 7.4 提高了 10% 到 15%。这使得PHP8在处理大规模计算和性能要求较高的应用程序时更加强大。

C和C++就是将源代码编译然后生成二进制机器码去执行的，而php，python等脚本语言是将源代码转换成中间指令然后在vm（虚拟机）上执行，另外java系语言他们使用的JVM引擎底层也是JIT，是将java的字节码编译成二进制的机器码去执行的。对于计算密集型的的程序，JIT可以将PHP的opcode直接转换成机器码，可以大幅度提升PHP性能。