大话PHP之性能
1缘起
关于PHP，很多人的直观感觉是PHP是一种灵活的脚本语言，库类丰富，使用简单，安全，非常适合WEB开发，但性能低下。PHP的性能是否真的就如同大家的感觉一样的差呢？本文就是围绕这么一个话题来进行探讨的。从源码、应用场景、基准性能、对比分析等几个方面深入分析PHP之性能问题，通过真实的性能数据来说话，最终找出影响PHP模块性能的关键因素。
2从原理分析PHP性能
从原理分析PHP的性能，主要从以下几个方面：内存管理、变量、函数、运行机制、网络模型来进行分析。
2.1内存管理
类似Nginx的内存管理方式，PHP在内部也是基于内存池，并且引入内存池的生命周期概念。在内存池方面，PHP对PHP脚本和扩展的所有内存相关操作都进行了托管。对大内存和小内存的管理采用了不同的实现方式和优化，具体可以参考以下文档：http://www.laruence.com/2011/11/09/2277.html。在内存分配和回收的生命周期内，PHP采用一次初始化申请+动态扩容+内存标识回收机制，并且在每次请求结束后直接对内存池进行重新mask。
2.2变量
总所周知，PHP是一种弱变量类型的语言，所以在PHP内部，所有的PHP变量都对应成一种类型Zval，其中具体定义如下：
图一、PHP变量
在变量方面，PHP做了大量的优化工作，比如说Reference counting和copy on writer机制。这样能够保证内存使用上的优化，并且减少内存拷贝次数（请参考http://blog.xiuwz.com/2011/11/09/php-using-internal-zval/）。在数组方面，PHP内部采用高效的hashtable来实现。
2.3函数
在PHP内部，所有的PHP函数都回转化成内部的一个函数指针。比如说扩展中函数
ZEND_FUNCTION ( my_function );//类似function my_function(){}
在内部展开后就会是一个函数
void zif_my_function ( INTERNAL_FUNCTION_PARAMETERS );
void zif_my_function(
int ht,
zval * return_value,
zval * this_ptr,
int return_value_used,
zend_executor_globals * executor_globals
);
从这个角度来看，PHP函数在内部也是对应一个函数指针。
2.4运行机制
在话说PHP性能的时候，很多人都会说“C/C++是编译型，JAVA是半编译型，PHP是解释型”。也就是说PHP是先动态解析再代码运行的，所以从这个角度来看，PHP性能必然很差。
的确，从PHP脚本运行来输出，的确是一个动态解析再代码运行的过程。具体来说，PHP脚本的运行机制如下图所示：
图二、PHP运行机制
PHP的运行阶段也分成三个阶段：
●Parse。语法分析阶段。
● Compile。编译产出opcode中间码。
● Execute。运行，动态运行进行输出。
通过上图也可以看出，其实在PHP内部本身也是存在编译的过程。事实上，在标准的生产环境中，也都基本上利用了这个特点，比如说opcode cache工具apc、eacc、xcache等等。基于opcode cache，能到做到“PHP 脚本编译一次，多次运行 ”的效果。从这点上，PHP就和JAVA的半编译机制非常类似。
所以，从运行机制上来看，PHP的运行模式和JAVA是非常类似的，都是先产生中间码，然后运行在不同虚拟机上。
2.5动态运行
从上面的几个分析来看，PHP在内存管理、变量、函数、运行机制等几个方面都做了大量的工作，所以从原理来看，PHP 不应该存在性能问题，性能至少也应该和JAVA 比较接近 。
但为什么还有很多人感觉PHP慢呢？尤其是一些计算量的性能对比上，总发现PHP处理的性能相对比较低效（http://shootout.alioth.debian.org/u32/php.php）。这个时候就不得不谈PHP动态语言的特性所带来的性能问题了，由于PHP是动态运行时，所以所有的变量、函数、对象调用、作用域实现等等都是在执行阶段中才确定的。这个从根本上决定了PHP性能中很难改变的一些东西：在 C/C++ 等能够在静态编译阶段确定的变量、函数，在PHP 中需要在动态运行中确定，也就决定了PHP 中间码不能直接运行而需要运行在Zend Engine 上 。
说到PHP变量的具体实现，又不得不说一个东西了：hashtable。Hashtable可以说在PHP灵魂之一，在PHP内部广泛用到，包含变量符号栈、函数符号栈等等都是基于hashtable的。
以PHP变量为例来说明下PHP的动态运行特点，比如说代码：
<?php
$var = “hello, blog.xiuwz.com”;
?>
该代码的执行结果就是在变量符号栈（是一个hashtable）中新增一个项
当要使用到该变量时候，就去变量符合栈中去查找（也就是变量调用对出了一个hash查找的过程）。
同样对于函数调用也基本上类似有一个函数符号栈（hashtable）。
其实关于动态运行的变量查找特点，在PHP的运行机制中也能看出一些。PHP代码通过解释、编译后的流程下图：
图3、PHP运行实例
从上图可以看出，PHP代码在compile之后，产出的了类符号表、函数符号表、和OPCODE。在真正执行的时候，zend Engine会根据op code去对应的符号表中进行查找，处理。
从某种程度上，在这种问题的上，很难找到解决方案。因为这是由于PHP语言的动态特性所决定的。但是在国内外也有不少的人在寻找解决方案。因为通过这样，能够从根本上完全的优化PHP。典型的列子有facebook的hiphop(https://github.com/facebook/hiphop-php)。
但所有的这种编译优化方案，都基本上是牺牲了PHP动态运行的特性。当然可以在具体的编译优化中去对动态特性做一些折中，但很难做到完完全全的兼容。
2.6网络模型
目前采用PHP的方式，比较理想和通用的模式是采用fastcgi（PHP-FPM）。Php-fpm在网络模型上比较类似nginx，采用了多进程Master+多worker的模式。Php-fpm本身是基于libevent中的epoll模型。从网络模型来看，该方式也不会和其他网络模型存在性能差异。
2.7结论
从上面分析来看，在基础的内存管理、变量、函数、运行机制、网络模型方面，PHP本身并不会存在明显的性能差异，但由于PHP的动态运行特性，决定了PHP和其他的编译型语言相比，所有的变量查找、函数运行等等都会多一些hash查找的CPU开销和额外的内存开销，至于这种开销具体有多大，可以通过后续的基准性能和对比分析得出。
因此，也可以大体看出PHP不太适合的一些场景：大量计算性任务、大数据量的运算、内存要求很严格的应用场景。如果要实现这些功能，也建议通过扩展的方式实现，然后再提供钩子函数给PHP调用。这样可以减低内部计算的变量、函数等系列开销。
3基准性能
对于PHP基准性能，目前缺少标准的数据。大多数同学都存在感性的认识，有人认为800QPS就是PHP的极限了。此外，对于框架的性能和框架对性能的影响很没有响应的权威数字。
本章节的目的是给出一个基准的参考性能指标，通过数据给大家一个直观的了解。
具体的基准性能有以下几个方面：
1、 裸PHP性能。完成基本的功能。
2、 裸框架的性能。只做最简单的路由分发，只走通核心功能。
3、 标准模块的基准性能。所谓标准模块的基准性能，是指一个具有完整服务模块功能的基准性能。
3.1环境说明
测试环境：
Uname -a
Linux db-forum-test17.db01.baidu.com 2.6.9_5-7-0-0 #1 SMP Wed Aug 12 17:35:51 CST 2009 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
Red Hat Enterprise Linux AS release 4 (Nahant Update 3)
8 Intel(R) Xeon(R) CPU E5520 @ 2.27GHz
软件相关：
Nginx：
nginx version: nginx/0.8.54 built by gcc 3.4.5 20051201 (Red Hat 3.4.5-2)
Php5：（采用php-fpm）
PHP 5.2.8 (cli) (built: Mar 6 2011 17:16:18)
Copyright (c) 1997-2008 The PHP Group
Zend Engine v2.2.0, Copyright (c) 1998-2008 Zend Technologies
with eAccelerator v0.9.5.3, Copyright (c) 2004-2006 eAccelerator, by eAccelerator
bingo2：
PHP框架。
其他说明：
目标机器的部署方式：
脚本。
测试压力机器和目标机器独立部署。
3.2裸PHP性能
最简单的PHP脚本。
<?php
require_once ‘./actions/indexAction.php’;
$objAction = new indexAction();
$objAction->init();
$objAction->execute();
?>
Acitons/indexAction.php里面的代码如下
<?php
class indexAction
{
public function execute()
{
echo ‘hello, world!’;
}
}
?>
通过压力工具测试结果如下：
3.3裸PHP框架性能
为了和3.2的对比，基于bingo2框架实现了类似的功能。代码如下
<?php
require_once ‘Bingo/Controller/Front.php’;
$objFrontController = Bingo_Controller_Front::getInstance(array(
‘actionDir’ => ‘./actions’,
));
$objFrontController->dispatch();
?>
压力测试结果如下：
从该测试结果可以看出：框架虽然有一定的消耗，但对整体的性能来说影响是非常小的 。
3.4标准PHP模块的基准性能
所谓标准PHP模块，是指一个PHP模块所必须要具体的基本功能：
●路由分发。
●自动加载。
●LOG初始化&Notice日志打印。所以的UI请求都一条标准的日志。
●错误处理。
●时间校正。
●自动计算每个阶段耗时开销。
●编码识别&编码转化。
●标准配置文件的解析和调用
采用bingo2的代码自动生成工具产生标准的测试PHP模块：test。
测试结果如下：
3.5结论
从测试数据的结论来看，PHP本身的性能还是可以的。基准性能完全能够达到几千甚至上W的QPS。至于为什么在大多数的PHP模块中表现不佳，其实这个时候更应该去找出系统的瓶颈点，而不是简单的说OK，PHP不行，那我们换C来搞吧。（下一个章节，会通过一些例子来对比，采用C来处理不见得有特别的优势）
通过基准数据，可以得出以下几个具体的结论：
1、 PHP本身性能也很不错。简单功能下能够达到5000QPS（50CPU IDLE），极限也能过W。
2、 PHP框架本身对性能影响非常有限。尤其是在有一定业务逻辑和数据交互的情况下，几乎可以忽略。
3、 一个标准的PHP模块，基准性能能够达到2000QPS（80 cpu idle）。
4PHP与C性能对比分析
很多时候，大家发现PHP模块性能不行的时候，就来一句“ok，我们采用C重写吧”。在公司内，采用C/C++来写业务逻辑模块的现象到处都有，在前几年甚至几乎全部都是采用C来写。那时候大家写的真是一个痛苦：调试难、敏捷不要谈。
那么，本章节要谈论的一个话题就是：C写的业务逻辑和PHP写的业务逻辑模块进行性能对比，采用真实的数据来说话。
4.1前提
为什么要特别说出这个前提呢？因为在理想情况下，一个功能采用PHP实现，该性能铁定不可能比理想的C写出来好。这个前提需要特别注意。
但为什么还要对比呢？因为在现实情况下，能写出非常优秀的C程序，并且在频繁修改的情况下还能做到完全高性能的又有几个呢？并且在现实的应用中C实现的性能是否真的全都都比PHP要好好几倍呢？这些目前都没有确切的数据来论证。
所以，本章节的对比是基于现实中的情况来进行的，并采用真实数据来说话。
4.2 真实业务模块PHP模块 VS C模块4.2.1业务模块介绍
一个真实的案列，该业务模块的流量高达数十亿。该模块的架构图如下：
图4、业务模块架构图
该业务模块功能非常简单，上层是web server，下游是各个数据模块。都是基于socket进行数据交互。该业务模块的主要工作模型是：响应 web server 的请求，根据请求从各个后端数据模块读取相应数据，并根据数据产出最终的HTML 页面返回给web 服务器 。
为了方便后续介绍，定义CUI表示用C实现的模块，PHPUI表示用PHP实现的模块。
4.2.2C/C++模块的性能数据结果
09年，该模块重构选择了一个新的C/C++框架。当时重构的时候，该模块连接的后端数据模块规模在 5-7 个 。
基于C/C++的模块，最终测试数据数据分成两个部分：
一、性能对比测试。
基于当时线上压力，进行真实数据的性能测试。所以当时只测试一个压力数据如下：
压力：210QPS
CPU（IDLE）：84.18
二、极限性能测试1。
该测试模型是：CUI只连接一个核心数据模块，其他数据模块完全关闭。
三、极限性能测试2。
该测试模型是：CUI连接后端一个核心数据模块，3个数据模块，其他数据模块不连接。
测试后性能数据如下：
4.2.3 PHP实现模块的性能测试数据
到11年，基于09年的CUI基本上达到了代码不看维护的地步。而且这个时候，CUI的极限性能已经不到600QPS （主要原因是随着项目的发展，后端数据模块的数目增加到14个）。据此，决定采用PHP方案来重写整个模块，并产出最终的pbui模块。
性能测试结果分成两种：
1、PHPUI连接一个核心模块。测试数据如下：
图5、PHPUI性能测试结果1
2、PHPUI连接后端所有模块（14个）。测试性能数据如下：
图6、PHPUI性能测试结果2
4.2.4数据对比结论
由于PHPUI和CUI的业务逻辑和测试方法都不完全相同，所以抽取了部分大体能对比的点进行整理。具体对比数据如下：
从上面的对比数据来看，在真实的业务项目中， PHPUI 的性能并不会比CUI 差 。这个不是简简单单一个模块来验证的，在部门里面，我们有不少模块都是从C/C++迁移到PHP，从迁移的结果来看，并没有存在质的性能下降，大部分模块迁移后性能指标都是非常接近的。
这个时候就需要思考为什么会这样了？细分来说有两个问题：
1、 为什么在真实业务项目中，PHPUI的性能并不会比CUI差太多？
2、 为什么基准的PHP性能这么高，80CPU的情况下2000QPS，但到了真实的PHP模块中只能是200QPS？
其实这两个问题，也可以归结成一种原因：在真实业务项目中，影响性能更多的不是说采用了什么语言，而是其业务相关的部分，比如说 socket 交互次数，比如说字符串处理，也比如说网络交互包大小 。
OK。那么接下来的关键是找出影响性能的关键因素。
4.2.5影响PHP模块性能的关键因素
从前面分析，我们得出，影响前端PHP模块性能的关键因素不是语言本身（是否是PHP/JAVA/C都不重要）。那么到底影响PHP业务模块性能的关键因素在哪里呢？CPU耗时是统计一个项目性能的关键点之一，考虑到系统中都打印出了系列日志。通过分析日志中请求的耗时分布可以大体上看出关键点。
在我们系统中，CPU耗时重点打印出以下几个方面：
1、 请求总时间。
2、 请求关键函数的性能，其中所有的socket交互都有耗时计算。
3、 模版渲染也是好事的一个关键点。
在前面分析中，我们基本上判定socket和字符串处理是一个关键点之一，通过数据我们来验证下。抽取一个模块指定数目的日志，进行综合分析得出以下数据：
通过这个可以看出，在一个业务模块中，影响最大的是socket数据交互，其次是大量的字符串处理。具体细分来说是以下几个因素：socket交互次数、socket交互包大小、socket交互响应时间、字符串处理。
4.2.6结论
通过上述分析，可以得出以下结论：在前端业务模块中，PHP语言本身不会成为性能瓶颈。因为影响性能的几个关键因数是：
● 网络交互数目。
● 网络交互数据大小，包含数据打包解包开销。
● 网络交互响应时间。
● 大量的字符串处理。
5最终结论
通过上述三个章节的具体分析，可以得出以下结论：
1、从PHP实现原理来看，PHP属于半编译型语言，并且在各个方面都进行了大量的优化工作，本身不会存在明显的性能问题。但由于动态语言的特性，决定了PHP需要运行在Zend Engine虚拟机上，并且在变量查找、函数调用、作用域切换等各个方面需要一些额外开销。
2、从PHP的基准性能来看，PHP本身不会存在明显的资源消耗，单机QPS能够轻松过W， PHP框架本身也不会对业务系统的性能带来关键性的影响。
3、从真实的应用场景来看，基于C语言实现的模块不见得比基于PHP实现的模块性能高效很多。因为在真实的应用场景中，更多的性能开销在于网络数据交互和字符串处理。语言方面微小的性能差异不会成为瓶颈。
据此，可以推出：基于C语言实现的大部分业务系统都可以考虑迁移到PHP上来，一方面能够快速开发，另外一方面性能也不会存在问题。
最后，关于影响PHP性能的关键因素的具体分析和关于语言函数级别PHP与C的基准性能对比分析，请关注下文《深入探讨PHP性能问题》。
6参考文档
http://yanbin.org/
https://wiki.php.net/internals/zend_mm
http://blog.xiuwz.com/2011/11/09/php-using-internal-zval/
http://developers.facebook.com/blog/post/358/
https://github.com/facebook/hiphop-php
来源;http://stblog.baidu-tech.com/?p=1343
