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    深入分析PHP Opcache工作原理

    藏色散人藏色散人2022-01-05 14:03:52转载2020

    PHP项目中,尤其是在高并发大流量的场景中,如何提升PHP的响应时间,是一项十分重要的工作。

    而Opcache又是优化PHP性能不可缺失的组件,尤其是应用了PHP框架的项目中,作用更是明显。

    1. 概述

    在理解 OPCache 功能之前,我们有必要先理解PHP-FPM + Nginx 的工作机制,以及PHP脚本解释执行的机制。

    1.1 PHP-FPM + Nginx 的工作机制

    请求从Web浏览器到Nginx,再到PHP处理完成,一共要经历如下五个步骤:

    第一步:启动服务

    • 启动PHP-FPM。PHP-FPM 支持两种通信模式:TCP socket和Unix socket;
    • PHP-FPM 会启动两种类型的进程:Master 进程 和 Worker 进程,前者负责监控端口、分配任务、管理Worker进程;后者就是PHP的cgi程序,负责解释编译执行PHP脚本。
    • 启动Nginx。首先会载入 ngx_http_fastcgi_module 模块,初始化FastCGI执行环境,实现FastCGI协议请求代理
    • 这里要注意:fastcgi的worker进程(cgi进程),是由PHP-FPM来管理,不是Nginx。Nginx只是代理

    第二步:Request => Nginx

    • Nginx 接收请求,并基于location配置,选择一个合适handler
    • 这里就是代理PHP的 handler

    第三步:Nginx => PHP-FPM

    • Nginx 把请求翻译成fastcgi请求
    • 通过TCP socket/Unix Socket 发送给PHP-FPM 的master进程

    第四步:PHP-FPM Master => Worker

    • PHP-FPM master 进程接收到请求
    • 分配Worker进程执行PHP脚本,如果没有空闲的Worker,返回502错误
    • Worker(php-cgi)进程执行PHP脚本,如果超时,返回504错误
    • 处理结束,返回结果

    第五步:PHP-FPM Worker => Master => Nginx

    • PHP-FPM Worker 进程返回处理结果,并关闭连接,等待下一个请求
    • PHP-FPM Master 进程通过Socket 返回处理结果
    • Nginx Handler顺序将每一个响应buffer发送给第一个filter → 第二个 → 以此类推 → 最终响应发送给客户端

    1.2 PHP脚本解释执行的机制

    了解了PHP + Nginx 整体的处理流程后,我们接下来看一下PHP脚本具体执行流程,

    首先我们看一个实例:

    <?php
    if (!empty($_POST)) {
        echo "Response Body POST: ", json_encode($_POST), "\n";
    }
    
    if (!empty($_GET)) {
        echo "Response Body GET: ", json_encode($_GET), "\n";
    }

    我们分析一下执行过程:

    • php初始化执行环节,启动Zend引擎,加载注册的扩展模块

    • 初始化后读取脚本文件,Zend引擎对脚本文件进行词法分析(lex),语法分析(bison),生成语法树

    • Zend 引擎编译语法树,生成opcode

    • Zend 引擎执行opcode,返回执行结果

    在PHP cli模式下,每次执行PHP脚本,四个步骤都会依次执行一遍;

    在PHP-FPM模式下,步骤1)在PHP-FPM启动时执行一次,后续的请求中不再执行;步骤2)~4)每个请求都要执行一遍

    其实步骤2)、3)生成的语法树和opcode,同一个PHP脚本每次运行的结果都是一样的,

    在PHP-FPM模式下,每次请求都要处理一遍,是对系统资源极大的浪费,那么有没有办法优化呢?

    当然有,如:

    • OPCache:前身是Zend Optimizer+ ,是 Zend Server 的一个开源组件;官方出品,强力推荐
    • APC: Alternative PHP Cache 是一个开放自由的 PHP opcode 缓存组件,用于缓存、优化 PHP 中间代码;已经不更新了不推荐
    • APCu:是APC的一个分支,共享内存,缓存用户数据,不能缓存opcode,可以配合Opcache 使用
    • eAccelerate:同样是不更新了,不推荐
    • xCache:不再推荐使用了

    2. OPCache 介绍

    OPCache 是Zend官方出品的,开放自由的 opcode 缓存扩展,还具有代码优化功能,省去了每次加载和解析 PHP 脚本的开销。

    PHP 5.5.0 及后续版本中已经绑定了 OPcache 扩展。

    缓存两类内容:

    • OPCode
    • Interned String,如注释、变量名等

    3. OPCache 原理

    OPCache缓存的机制主要是:将编译好的操作码放入共享内存,提供给其他进程访问

    这里就涉及到内存共享机制,另外所有内存资源操作都有锁的问题,我们一一解读。

    3.1 共享内存

    UNIX/Linux 系统提供很多种进程间内存共享的方式:

    • System-V shm API: System V共享内存,
      • sysv shm是持久化的,除非被一个进程明确的删除,否则它始终存在于内存里,直到系统关机;
    • mmap API:
      • mmap映射的内存在不是持久化的,如果进程关闭,映射随即失效,除非事先已经映射到了一个文件上
      • 内存映射机制mmap是POSIX标准的系统调用,有匿名映射和文件映射两种
      • mmap的一大优点是把文件映射到进程的地址空间
      • 避免了数据从用户缓冲区到内核page cache缓冲区的复制过程;
      • 当然还有一个优点就是不需要频繁的read/write系统调用
    • POSIX API: System V 的共享内存是过时的, POSIX共享内存提供了使用更简单、设计更合理的API.
    • Unix socket API

    OPCache 使用了前三个共享内存机制,根据配置或者默认mmap 内存共享模式。

    依据PHP字节码缓存的场景,OPCache的内存管理设计非常简单,快速读写,不释放内存,过期数据置为Wasted。

    当Wasted内存大于设定值时,自动重启OPCache机制,清空并重新生成缓存。

    3.2 互斥锁

    任何内存资源的操作,都涉及到锁的机制。

    共享内存:一个单位时间内,只允许一个进程执行写操作,允许多个进程执行读操作;

    写操作同时,不阻止读操作,以至于很少有锁死的情况。

    这就引发另外一个问题:新代码、大流量场景,进程排队执行缓存opcode操作;重复写入,导致资源浪费。

    4. OPCache 缓存解读

    OPCache 是官方的Opcode 缓存解决方案,在PHP5.5版本之后,已经打包到PHP源码中一起发布。

    它将PHP编译产生的字节码以及数据缓存到共享内存中, 在每次请求,从缓存中直接读取编译后的opcode,进行执行。

    通过节省脚本的编译过程,提高PHP的运行效率。

    如果正在使用APC扩展,做同样的工作,现在强烈推荐OPCache来代替,尤其是PHP7中。

    4.1 OPCode 缓存

    Opcache 会缓存OPCode以及如下内容:

    • PHP脚本涉及到的函数
    • PHP脚本中定义的Class
    • PHP脚本文件路径
    • PHP脚本OPArray
    • PHP脚本自身结构/内容

    4.2 Interned String 缓存

    首先我们需要理解,什么是 Interned String?

    在PHP5.4的时候, 引入了Interned String机制, 用于优化PHP对字符串的存储和处理。

    尤其是处理大块的字符串,比如PHP doces时,Interned String 可以优化内存。

    Interned String 缓存的内容包括: 变量名称、类名、方法名、字符串、注释等。

    在PHP-FPM模式中,Interned String 缓存字符,仅限于Worker 进程内部。

    而缓存到OPCache中,那么Worker进程之间可以使用 Interned String 缓存的字符串,节省内存。

    我们需要注意一个事情,在PHP开发中,一般会有大段的注释,也会被缓存到OPCache中。

    可以通过php.ini的配置,关闭注释的缓存。

    但是,像Zend Framework等框架中,会引用注释,所以,是否关闭注释的缓存,需要区别对待。

    5. OPCache 更新策略

    是缓存,都存在过期,以及更新策略等。

    而OPCache的更新策略非常简单,到期数据置为Wasted,达到设定值,清空缓存,重建缓存。

    这里需要注意:在高流量的场景下,重建缓存是一件非常耗费资源的事儿。

    OPCache 在创建缓存时并不会阻止其他进程读取。

    这会导致大量进程反复新建缓存。所以,不要设置OPCache过期时间

    每次发布新代码时,都会出现反复新建缓存的情况。如何避免呢?

    • 不要在高峰期发布代码,这是任何情况下都要遵守的规则
    • 代码预热,比如使用脚本批量调PHP 访问URL,或者使用OPCache 暴露的API 如opcache_compile_file() 进行编译缓存

    6. OPCache 的配置

    6.1 内存配置

    • opcache.preferred_memory_model="mmap" OPcache 首选的内存模块。如果留空,OPcache 会选择适用的模块, 通常情况下,自动选择就可以满足需求。可选值包括: mmapshm, posix 以及 win32
    • opcache.memory_consumption=64 OPcache 的共享内存大小,以兆字节为单位,默认64M
    • opcache.interned_strings_buffer=4 用来存储临时字符串的内存大小,以兆字节为单位,默认4M
    • opcache.max_wasted_percentage=5 浪费内存的上限,以百分比计。 如果达到此上限,那么 OPcache 将产生重新启动续发事件。默认5

    6.2 允许缓存的文件数量以及大小

    • opcache.max_accelerated_files=2000 OPcache 哈希表中可存储的脚本文件数量上限。 真实的取值是在质数集合 { 223, 463, 983, 1979, 3907, 7963, 16229, 32531, 65407, 130987 } 中找到的第一个大于等于设置值的质数。 设置值取值范围最小值是 200,最大值在 PHP 5.5.6 之前是 100000,PHP 5.5.6 及之后是 1000000。默认值2000
    • opcache.max_file_size=0 以字节为单位的缓存的文件大小上限。设置为 0 表示缓存全部文件。默认值0

    6.3 注释相关的缓存

    • opcache.load_comments boolean 如果禁用,则即使文件中包含注释,也不会加载这些注释内容。 本选项可以和 opcache.save_comments 一起使用,以实现按需加载注释内容。
    • opcache.fast_shutdown boolean 如果启用,则会使用快速停止续发事件。 所谓快速停止续发事件是指依赖 Zend 引擎的内存管理模块 一次释放全部请求变量的内存,而不是依次释放每一个已分配的内存块。

    6.4 二级缓存的配置

    • opcache.file_cache 配置二级缓存目录并启用二级缓存。 启用二级缓存可以在 SHM 内存满了、服务器重启或者重置 SHM 的时候提高性能。 默认值为空字符串 "",表示禁用基于文件的缓存。
    • opcache.file_cache_only boolean 启用或禁用在共享内存中的 opcode 缓存。
    • opcache.file_cache_consistency_checks boolean 当从文件缓存中加载脚本的时候,是否对文件的校验和进行验证。
    • opcache.file_cache_fallback boolean 在 Windows 平台上,当一个进程无法附加到共享内存的时候, 使用基于文件的缓存,也即:opcache.file_cache_only=1。 需要显示的启用文件缓存。

    推荐学习:《PHP视频教程

    以上就是深入分析PHP Opcache工作原理的详细内容,更多请关注php中文网其它相关文章!

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