觀賞PHP7和HHVM的性能之爭

最近關於PHP7和HHVM的效能對比，成為了一個熱點的爭議話題，大家都在討論和關注哪一個才是PHP性能提升的未來。

HHVM（HipHop Virtual Machine）的起源

HHVM是一個開源的PHP虛擬機，使用JIT的編譯方式以及其他技術，讓PHP程式碼的執行效能大幅提升。據傳，可以將目前版本的原生PHP程式碼提升5-10倍的執行效能。

HHVM起源於Facebook公司，Facebook早起的許多程式碼是使用PHP來開發的，但是，隨著業務的快速發展，PHP執行效率成為越來越明顯的問題。為了優化執行效率，Facebook在2008年就開始使用HipHop，這是一種PHP執行引擎，最初是為了將Fackbook的大量PHP程式碼轉成 C ，以提高效能和節約資源。使用HipHop的PHP程式碼在效能上有數倍的提升。後來，Facebook將HipHop平台開源，逐漸發展為現在的HHVM。

 

1. PHP為什麼慢？

PHP的慢是相對於C/C 等級的語言來說，事實上，PHP語言最初的設計，就不是用來解決計算密集型的應用場景。我們可以這樣粗略理解為，PHP為了提升開發效率，而犧牲了執行效率。

我們知道PHP一個很大的特點，就是弱型別特性，也就是說，我可以隨意定義一個變量，然後給它隨意賦值為各種類型的資料。以一個int整數數字為例子，在C語言中：

int num = 200; // 通常是4位元組

但是，如果是PHP定義了一個相同的變量，實際對應的儲存結構則是：

 

這個結構體將會佔據遠比C變數多得多的內存，PHP定義方式如下：

$a = 200;//這變數將實際佔用比C變數很多倍的儲存空間。

其實對PHP來說，無論儲存什麼類型的數據，都是用上述「通殺」的結構體實現。為了相容於PHP程式設計師的變數類型“亂入”，PHP做到了對開發者的友好，但是對執行引擎很殘酷。單一變數記憶體消耗可能還不明顯，一旦用到PHP的陣列等，則複雜度指數上升（陣列的實作是HashTable）。然後，Zend引擎執行時，將這些PHP程式碼編譯為opcode（PHP的中間字節碼，格式有點類似於組譯），由Zend引擎逐行解釋執行。

無論是字串的連接操作，還是數組的簡單修改等，幾乎都是「PHP程式設計師一句話，Zend引擎跑斷腿」的節奏。因此，同樣的操作，對比C來說，PHP消耗了更多的CPU和記憶體等系統資源。除此之外，還有記憶體自動回收、變數類型判斷等等，都會增加系統資源的消耗。

例如，我用純PHP實作的快速排序函數和原生sort函數，排序10000個整數數字，來做一個耗時對比，結果如下：

## 

原生的sort耗時3.44 ms，而我們自己實作的PHP函式sort則是68.79 ms。我們發現，兩者執行效率差距龐大。我的測試方式，是計算函數執行前後的時間間隔，而不是整個PHP腳本從啟動到結束的時間。 PHP腳本啟動和關閉過程，本身有著一系列的初始化和清理工作，也會佔據不少的耗時。

 

通常情況下，PHP執行效率的排行是：

最快的是PHP語言結構（isset、echo等），PHP語言的一部分（它們根本不是函數）。
1. 然後比較快的就是PHP的原生和拓展函數。 PHP拓展，基於Zend API之上，用C實現的功能，執行效率和C /Java是屬於同一個數量級的。
2. 真正慢的就是，我們透過PHP自己寫的程式碼和函數。例如，假如我們所使用的比較重的純PHP實現的框架，因為框架本身的模組很多，所以，會明顯拖累語言層面的執行效率，同時佔據更多的記憶體。 （國內的Yaf框架，以拓展的方式實現，因此執行效率遠快於純PHP寫的框架）

 

在一般情況下，我們並不建議使用過PHP實現邏輯複雜計算類型的功能，尤其是Web系統流量比較大的場景下。因此，PHP程式設計師應該對PHP的各種原生函數和各類拓展有一個比較廣泛的了解，在具體的功能實現場景中，尋求更原生的解決方案（原生接口或者拓展），而不是自己寫一堆複雜的PHP程式碼來實現這類型功能。

如果有足夠的PHP拓展開發實力，將這類型業務功能重寫為一個PHP拓展，也會大幅提升程式碼的執行效率。這是一個非常好的方式，也被廣泛應用PHP優化。但是，自己寫的PHP業務拓展的缺點也很明顯：

1. 拓展開發耗時比較長，需求變更的時候修改也複雜，寫得不好可能會影響Web服務穩定性。 （例如，在Apache的worker模式下，多執行緒場景下掛掉，會影響同一個行程下的其他正常子執行緒。如果是多執行緒的Web模式，編寫拓展還需要支援執行緒安全性）
2. 拓展在PHP版本升級的時候，可能需要做額外相容的工作。
3. 人員變動後的維護和接手成本也比較高。

實際上，在網路第一線企業中，更常見的解決方案，並非增加PHP拓展，而用C/C 獨立寫一個服務server，然後PHP透過socket和服務server通訊來完成業務處理，並不將PHP本身和業務耦合在一起。

不過，Web服務大部分的效能瓶頸都在網路傳輸和其他服務server的耗時（例如MySQL等），PHP執行的耗時在整體耗時的佔用比例非常小，所以從業務角度來說，影響可能並不明顯。

 

2. HHVM提升PHP執行性能的方式

HHVM提升PHP性能的途徑，採用的方式就是取代Zend引擎來產生和執行PHP的中間字節碼（HHVM產生自己格式的中間字節碼），執行時透過JIT（Just In Time，即時編譯是種軟體最佳化技術，指在運行時才會去編譯字節碼為機器碼）轉為機器碼執行。 Zend引擎預設做法，是先編譯為opcode，然後再逐條執行，通常每個指令對應的是C語言層級的函數。如果我們產生大量重複的opcode（純PHP寫的程式碼和函數），對應的則是Zend多次逐條執行這些C程式碼。而JIT所做的則是更進一步，將大量重複執行的字節碼在運行的時候編譯為機器碼，達到提高執行效率的目的。通常，觸發JIT的條件是程式碼或函數被多次重複呼叫。

普通的PHP程式碼，因為無法固定變數的類型，需要額外加入判斷類型的邏輯程式碼，這樣PHP程式碼是不利於CPU執行和最佳化的。因此，HHVM通常需要用到Hack寫法（為了兼容某種特性而額外添加的技巧性質的代碼）的PHP代碼來“配合”，就是為了讓變量類型固定，方便虛擬機編譯執行。 PHP追求以一種形式來容納一切類型，而Hack則可以將被容納的一切標記上確定的類型。

 

PHP程式碼的Hack寫入法的範例：

# 

##上面的例子中，PHP程式碼主要被加上了變數類型。 Hack寫法的整體方向，就是將先前「動態」的寫法變成「靜態」的寫法，來配合HHVM。

HHVM因為它的高效能而吸引了不少人的關注，一些一線網路公司也開始跟進使用。從純語言執行效能測試結果來看，HHVM領先了開發中的PHP7版本不少。

 

不過，從具體業務場景來看，HHVM和PHP7的差距並沒有那麼大，以WordPress開源部落格首頁為測試場景的結果中，他們目前的差距並不明顯。 

 

但是，PHP7目前仍在開發中，就已經可用的技術方案來看，目前的HHVM略勝一籌。不過，HHVM的部署與應用都存在一些的問題：

服務部署較為複雜，有一定維護成本。
1. 對PHP原生程式碼並非完整支持，PHP拓展也需要做適當的兼容。
2. HHVM是一台新虛擬機，長時間運行有記憶體外洩。 （據說，一線網路公司在應用這個技術時，是透過自己打Patch的方式解決記憶體外洩）

 

HHVM畢竟是一個相對比較新的開源項目，發展到成熟仍然需要一定時間。

 

PHP7的效能革新

PHP長期以來飽受批評的效能問題，將會在這個版本得到大幅度的改善。版本中間沒有PHP6哈，據說，是因為這個版本曾經立過項目，後來大部分功能都在5.x的版本裡實現了，為了避免混淆，下一個大版本直接就是PHP7。 （幾年以前，我還看過關於PHP6的書。）

 

#1. PHP7的介紹

雖然PHP7的正式版本可能要到2015年的10月才發布，不過明年6月應可以看見一個測試版本了，之後是3-4個月的品質保證。

 

PHP社群的專案計畫如下：

# 

因為專案仍然處於開發中的原因，從表格中，可以看見的特性描述都比較模糊。肯定有更多的其他特性，但尚未公佈。以下的這些，是從PHP社群看見的，因為PHP7是一個開發中的項目，以下的這些也不一定準確，不過，不妨礙我們一起來看看。

1. PHPNG（PHP next generation，下一代PHP），對Zend執行引擎本身的各種效能最佳化，其中JIT，可能會實現在Zend Opcache元件中。
2. AST（Abstract Syntax Tree，抽象語法樹），目的是在PHP編譯過程引入一個中間件，取代直接從解釋器吐出opcode的方式。讓解釋器和編譯器解耦，可以減少大量Hack程式碼，同時，讓實作更容易理解和維護。
3. uniform variable syntax（統一變數語法），引入一種內部一致且完整的變數語法，讓PHP的解析器更完整地支援各種類型的變數。部分變數的用法需要調整，例如變數的變數$$a等。
4. 支援integer semantics（整數語意），例如NaN、Infinity、<<、>>，修正list()的一致性等等。

 

在上面的特性中，最令人期待的就是PHPng的效能最佳化，PHP社群已經放出了一些效能的測速資料。從數據來看，PHPng的執行效能比起專案啟動之初，已經有接近1倍的提升。這個成績已經非常不錯，況且，最關鍵的是PHP7的優化計畫還有很多尚未完成。等到都全部完成了，相信我們可以看見一個性能更高的PHP7。

這測速資料是來自於PHP社群（wiki.php.net/phpng），而截取了一部分的資料：

 

對其目前PHP5. 6版，PHPNG的10月效能提升已經非常明顯了：

 

簡單翻譯下：

##綜合測試速度提升35%。
• 在實際應用場景有20%-70%的速度提升（WordPress首頁有60%的提升）
• #更少的記憶體消耗
• 支援大部分常用的SAPIs
• 支援大部分的PHP拓展綁定到資源分配（69個完成，6個待遷移）
• 提供可堪比HHVM3.3.0的執行速度

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2. PHP的弱型別爭議

PHP被爭議的特點很多，但是隨著語言版本的發布和完善，功能和特性方面的批評開始變少了。但是，PHP的「弱類型」特性，卻明顯受到更多的爭議，從HHVM透過Hack的方式直接「去掉」了「弱類型」特性可以看出，HHVM並不喜歡「弱類型」特性。然而，在我們許多PHP程式設計師的眼中，這卻是PHP的重要優點之一。 PHP裡的變因設計得隨性和飄逸，海納百川，一切皆可包容，不是讓語言顯得更為簡單嗎？

實際上，有些人認為它是個嚴重的問題，對於「弱型別」的批評觀點大致如下：

在「嚴謹」的語言中，通常是預先定義好一個變數的類型，自始至終，變數的類型是固定的，使用範圍也是固定。而PHP的變量，通常我們只能看見它名字，類型大部分都不可以預先定義，也可以隨意改變。 （記憶體分配不好管理）
1. 為了相容於弱型別特性，PHP需要實作大量相容程式碼，包括型別判斷、型別轉換、儲存方式等，增加了語言內部的複雜度。 （執行效率低下）
2. 變數的類型是不可控的，在執行過程中存在大量的“隱性類型轉換”，容易產生不可預測的結果。 （這裡的確需要強調，PHP的型別轉換是個必須掌握的點，各種類型的互相轉換的可能會產生很多問題，尤其是初學PHP的同學哈）

 

#他們認為，這些都不符合「所見即所得」的簡單性，而文法嚴謹的語言更高效率，也更容易「理解」。

受到類似批評的還有Javascript等語言，因為它在這個問題上的表現是一樣的。但是，一門語言最終被大規模使用，必然有它們的道理。 PHP成為Web服務開發的首選腳本語言，Javascript則直接稱霸Web前端領域，能走到這一步都不可能是偶然因素，開發者們用腳投票選擇了它們。程式語言是人類和機器溝通的橋樑，終極追求是實現「人人皆可編程」的宏偉目標。

縱觀語言發展歷史，從0和1的機器碼開始，到組合語言，然後到C語言，再到動態腳本語言PHP。執行效率呈指數下降，但是，學習門檻也呈指數降低。 PHP語言不僅屏蔽了C的記憶體管理和指標的複雜性，而且更進一步屏蔽了變數類型的複雜性。提升了專案開發的效率，降低了學習的門檻，但同時犧牲了一定的執行效能。然後，HHVM的Hack給我們一種「回歸原始」的感覺，重新引入了變數的複雜性。當然，不同的語言解決不同場景下的問題，並不能夠一概而論。

 

小結

HHVM對PHP的效能提升，讓人眼前一亮，而磨刀霍霍的PHP7則讓人萬分期待。兩者都是極其優秀的開源項目，都在不斷前進和發展中。就目前而言，因為距離PHP7正式版的發布還有比較長的一段時間，所以目前效能優化方案的首選當然是HHVM。不過，就我個人而言，我比較看好PHP7，因為它更能做到PHP程式碼的向下相容。如果兩者性能相差不大，我會選擇簡單的。

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以上是觀賞PHP7和HHVM的性能之爭的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！