PHP7内存性能优化的思想精髓

2022-07-11 22:01:19

前面我们讨论了内存的工作原理，也进行了一些性能相关的测试。那么今天开始我们来看几个在实践中的应用。首先我们先从PHP开始。

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。PHP7在内存方面，你是否知道作者都进行了哪些优化？你是否能够深层次理解到作者优化思路的精髓？

让我们从几个核心的数据结构改进开始看起。

PHP7 zval变化

1、php5.3中的zval：

typedef unsigned int zend_object_handle;
typedef struct _zend_object_value {
	zend_object_handle handle;
	zend_object_handlers *handlers;
} zend_object_value;

typedef union _zvalue_value {
	long lval;					/* long value */
	double dval;				/* double value */
	struct {
		char *val;
		int len;
	} str;
	HashTable *ht;				/* hash table value */
	zend_object_value obj;
} zvalue_value;

struct _zval_struct {
	/* Variable information */
	zvalue_value value;		/* value */
	zend_uint refcount__gc;
	zend_uchar type;	/* active type */
	zend_uchar is_ref__gc;
};

我们这里只讨论64位操作系统下的情况。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。（如果算的有点晕话，感兴趣的同学可以写段简单的测试代码，使用sizeof查看一下）

2、PHP7.2中的zval

typedef struct _zval_struct     zval;
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 {  
		struct {
			ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
				zend_uchar    type,			
				zend_uchar    type_flags,
				zend_uchar    const_flags,
				zend_uchar    reserved)	    
		} v;
		int type_info;
	} u1;
	union {  ...... } u2;
};

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 HashTable变化

1、PHP5.3里的HashTable:

typedef struct _hashtable {
        uint nTableSize;
        uint nTableMask;
        uint nNumOfElements;   //注意这里：浪费ing
        ulong nNextFreeElement;
        Bucket *pInternalPointer;       /* Used for element traversal */
        Bucket *pListHead;
        Bucket *pListTail;
        Bucket **arBuckets;
        dtor_func_t pDestructor;
        zend_bool persistent;
        unsigned char nApplyCount;
        zend_bool bApplyProtection;
} HashTable;

再5.3里HashTable就是一个大struct，有点小复杂，我们拆开了细说，

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。

2、PHP7.2里的HashTable:

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    consistency)
		} v;
		uint32_t flags;
	} u;
	uint32_t          nTableMask;
	Bucket           *arData;
	uint32_t          nNumUsed;
	uint32_t          nNumOfElements;
	uint32_t          nTableSize;
	uint32_t          nInternalPointer;
	zend_long         nNextFreeElement;
	dtor_func_t       pDestructor;
};s

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

总字节数 = 8+4+4+8+4+4+4+4+8+8 = 56字节

占用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，这里我就不翻源代码了。

优化思路精髓

我们看了两个核心数据结构的结构体变化，这上面的优化都是什么含义呢？拿HashTable举例，貌似从72字节优化到了56字节，这内存节约的也不是特别多嘛，才20%多而已！

但这中间其实隐藏了两个较深层次优化思路

第一、CPU在向内存要数据的时候是以Cache Line为单位进行的，而我们说过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，但是对不起，必须得进行两次burst IO才可以。所以，在计算机里，72字节相对56字节实际上是翻倍的性能提升！！

第二、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，PHP7里能Cache住的HashTable数量将会翻倍，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。

所以PHP内核的作者大牛深谙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！！

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