PHP7与Swoole

最近PHP官方终于发布了传说中的PHP7，虽然只是alpha版。PHP7号称是新一代的PHP，官方开发组对Zend引擎底层做了大量修改来优化PHP的性能。可以说PHP7这个版本的主题就是性能优化。

在过去PHP一直以开发效率快著称，而语言本身的性能较差（当然比Python，Ruby还是要快一些的）。普通的Web网站都是IO密集型的程序，瓶颈在MySQL上，所以体现不出PHP的性能劣势。但在密集计算方面比C/C++、Java等静态编译语言差几十倍甚至上百倍。另外使用设计非常复杂的开发框架，如Symfony、Laravel等，程序性能也会明显下降。

现在随着PHP越来越流行，像Facebook、新浪微博这样超大型规模的网站都在使用PHP。PHP语言性能问题就越来越严重了。Facebook有几十万台服务器，如果现有的PHP程序可以提升一部分性能，将会节约大量的服务器资源。所以就有了HHVM、Hack。Hack为PHP增加了类型，HHVM是一个重新设计的PHP引擎，实际项目中使用HHVM可以提近70%的性能。实际项目70%性能提升这是一个什么概念？腾讯QQ农场最初使用PHP开发，后因为性能问题使用C语言重构，完成后性能提升了100%。

PHP官方也注意到了这个问题，所以就有了PHP7的开发计划。最新公布的PHP7-alpha在WordPress项目中测试的表现已经超越了HHVM。未来PHP将会同时具备极高的开发效率和极高的性能，再结合Swoole做异步编程，PHP势必会更加流行。

本文简单介绍一下PHP7做了哪些优化，可以提升如此多性能。

一 zval使用栈内存

在Zend引擎和扩展中，经常要创建一个PHP的变量，底层就是一个zval指针。之前的版本都是通过MAKE_STD_ZVAL动态的从堆上分配一个zval内存。而PHP7可以直接使用栈内存。PHP代码中创建的变量也进行了优化，PHP7直接在栈内存上预分配zval。这样节约了大量内存分配和内存管理的操作。

PHP5

zval *val; MAKE_STD_ZVAL(val);

PHP7

zval val;

二 zend_string存储hash值，array查询不再需要重复计算hash

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。PHP中array是核心数据结构，PHP程序中往往都有大量的$array[$key]操作，虽然hashtable查找的时间复杂度是O(1)，但$key要转为hash值是要经过计算的。不仅仅是array操作，实际上PHP底层对于类属性、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。PHP7之前Zend引擎会有大量的CPU时间用于计算hash值。

实际上PHP程序运行起来之后，大部分情况下$key的值都是不变的。PHP7干脆将这个hash值保存起来，下次直接使用，这样就节省了大量的hash计算操作，PHP的hashtable与C数组的性能一致。

从实际项目进行callgrind性能分析，会发现alloc和hash 2项操作就占用了相当大比例的CPU时间。PHP7优化之后这2项操作占用的CPU时间降低了非常多。（注：zend_hash仍然占12%，因为整体CPU降低了，所以总的耗时降低了不少）

三 hashtable桶内直接存数据

PHP5的hashtable每个元素都是一个 Bucket *，而PHP7直接存Bucket，减少了内存申请次数，提升了Cache命中率和内存访问速度。

四 zend_parse_parameters改为宏实现

PHP的C扩展函数与PHP中的变量进行参数输入时，要使用zend_parse_parameters()函数，这个函数根据一个字符串参数找到对应PHP的zval指针，然后进行赋值。这个函数实际上有一定的性能消耗。PHP7直接使用宏替换了zend_parse_parameters函数，C扩展中不再需要使用zend_parse_parameters进行逐个参数的查找，宏展开后自动会实现参数赋值。仅此一项就提升了5%的性能。

五新增加4种OPCODE

很多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。

六其他更多优化

除了上面5个主要优化点之外，PHP7还有其他更多的细节性能优化。如基础类型int、float、bool等改为直接进行值拷贝，排序算法改进，PCRE with JIT，execute_data和opline使用全局寄存器等等。PHP7对性能的优化会继续进行下去。

PHP7-alpha相比PHP5.6性能提升了近3倍。下面是WordPress在PHP7上的表现：

PHP7的新特性

除了性能优化外，PHP7新增加了2项重要的新特性。

1. 变量类型

PHP7版本函数的参数和返回值增加了类型限定。为什么PHP要加入类型，实际上此项特性是为了PHP7.1版本的JIT特性做准备，增加类型后PHP JIT可以准确判断变量类型，生成最佳的机器指令。

function test(int $a, string $b, array $c) : int {

//code

}

2. 错误异常

PHP程序出错后过去Zend引擎会发生致命错误并终止程序运行，PHP7可以使用try/catch捕获错误。底层使用Exeception代替了Fatal Error。这个特性表示PHP语言正在向一个更加规范的方向发展。应用层与底层在错误抛出的方式全部统一为异常。

try {

non_exists_func();

} catch (EngineException $e) {

echo "Exception: {$e->getMessage()}\n";

}

3. 匿名类

$test = new class("Hello World") {

public function __construct($greeting) {

$this->greeting = $greeting;

}

};

PHP7与JIT

最初PHP7性能优化的方向并不是以上所讲的，而是JIT。JIT是just in time的缩写，表示运行时将指令转为二进制机器码。Java语言的JVM引擎底层就是使用JIT将Java字节码编译为二进制机器码执行。PHP7开发过程中有一个中间版本是基于JIT，后来开发组发现使用JIT后，对于实际项目并没有有太大的性能提升，所以PHP7最终放弃了JIT方案，PHP7.0-final版本不会携带JIT特性。

但如果是密集计算类程序就不同了，使用JIT将PHP OpCode编译为机器码，运算的性能会大幅提升。PHP官方开发组在2014年底重启了JIT的开发工作。

PHP的异步网络通信扩展Swoole

PHP在大部分程序员印象中都是用来做Web网站的。PHP没有像Python的Twisted、Tornado，Java的Netty、Mina，JavaScript的Node.js等框架，无法实现异步网络通信程序。PHP的Swoole扩展就是为了弥补此项缺陷而诞生的开源项目。Swoole是一个标准的PHP扩展，为PHP提供了一系列异步IO、事件驱动、并行数据结构功能。

Swoole与Node.js非常相似，不同之处是Swoole在并行提供了底层支持。Node.js是一个单进程单线程的程序，在多核服务器上无法发挥全部CPU核的计算能力。需要程序员自行使用child_process/cluster扩展或者启动多实例，使程序能够利用到多核优势。而Swoole在底层就支持了多线程/多进程，程序启动后就会创建好多个IO线程和多个Worker进程。程序员仅需配置线程/进程数量即可。

使用Swoole开发的TCP服务器程序：

$serv = new swoole_server("127.0.0.1", 9501);

$serv->on('connect', function ($serv, $fd){

echo "Client:Connect.\n";

});

$serv->on('receive', function ($serv, $fd, $from_id, $data) {

$serv->send($fd, $data);

});

$serv->on('close', function ($serv, $fd) {

echo "Client: Close.\n";

});

$serv->start();

Swoole同样也内置了http_server和WebSocket服务器的支持。swoole_http_server与传统的php-fpm不同，它是在PHP内进行事件循环的，基于swoole_http_server完全可以开发出类似Java应用服务器一样，可以控制完整对象生命周期的程序。swoole_http_server天然支持异步IO，可以很方便的实现支持大量TCP连接的Comet服务。swoole_websocket_server可以用来实现支持Web实时推送的程序。

使用Swoole的Web服务器程序：

$http = new swoole_http_server("0.0.0.0", 9501);

$http->on('request', function ($request, $response) {

$response->header("Content-Type", "text/html; charset=utf-8");

$response->end("

<h1>Hello Swoole. #".rand(1000, 9999)."</h1>

");

});

$http->start();

PHP的未来

可以预见PHP语言未来会在性能方面有明显的提升，越来越接近C/C++、Java等静态编译语言。再加上Swoole扩展，PHP的使用范围可以扩展到移动通信、云计算、网络游戏、物联网、车联网、智能家居等领域。

PHP虽然未必是最好的编程语言，但PHP在向着这个方向在发展。