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深入分析PHP Opcache工作原理

藏色散人
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2022-01-05 14:01:444218瀏覽

PHP專案中,尤其是在高並發大流量的場景中,如何提升PHP的回應時間,是一項十分重要的工作。

而Opcache又是優化PHP效能不可缺少的元件,尤其是應用了PHP框架的專案中,作用更是明顯。

1. 概述

在理解OPCache 功能之前,我們必須先理解PHP-FPM Nginx 的工作機制,以及PHP腳本解釋執行的機制。

1.1 PHP-FPM Nginx 的工作機制

請求從Web瀏覽器到Nginx,再到PHP處理完成,一共要經歷如下五個步驟:

第一步:啟動服務

  • #啟動PHP-FPM。 PHP-FPM 支援兩種通訊模式:TCP socket和Unix socket;
  • PHP-FPM 會啟動兩種類型的進程: Master 進程和Worker 進程,前者負責監控連接埠、指派任務、管理Worker進程;後者就是PHP的cgi程序,負責解釋編譯執行PHP腳本。
  • 啟動Nginx。 首先會載入ngx_http_fastcgi_module 模組,初始化FastCGI執行環境,實作FastCGI協定請求代理
  • 這裡要注意:fastcgi的worker進程(cgi進程),是由PHP-FPM來管理,不是Nginx。 Nginx只是代理

第二步:Request => Nginx

  • Nginx 接收請求,並基於location配置,選擇一個合適handler
  • 這裡就是代理PHP的handler

第三步:Nginx => PHP-FPM

    ##Nginx 把請求翻譯成fastcgi請求
  • 透過TCP socket/Unix Socket 傳送給PHP-FPM 的master程序
## 步驟:PHP-FPM Master => Worker

PHP-FPM master 程序接收到請求
  • 分配Worker進程執行PHP腳本,如果
  • 沒有空閒的Worker,回傳502錯誤Worker(php-cgi)程序執行PHP腳本,如果
  • 逾時,回傳504錯誤處理結束,回傳結果
第五步:PHP-FPM Worker => Master => Nginx

PHP-FPM Worker 程序傳回處理結果,並關閉連接,等待下一個請求
  • PHP-FPM Master 進程透過Socket 回傳處理結果
  • Nginx Handler順序將每一個回應buffer傳送給第一個filter → 第二個→ 以此類推→ 最終回應傳送給客戶端

1.2 PHP腳本解釋執行的機制了解了PHP Nginx 整體的處理流程後,我們接下來來看PHP腳本具體執行流程,

首先我們來看一個實例:

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

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

我們來分析執行過程:

  • php初始化執行環節,#啟動Zend引擎,載入註冊的擴充模組

  • 初始化後讀取腳本文件,Zend引擎對腳本文件進行詞法分析(lex),語法分析(bison),產生語法樹

  • Zend 引擎編譯語法樹,產生opcode#,

  • Zend 引擎執行opcode,傳回執行結果

在PHP cli模式下,每次執行PHP腳本,四個步驟都會依序執行一遍;

在PHP-FPM模式下,步驟1)在PHP-FPM啟動時執行一次,後續的請求中不再執行;步驟2)~4)每個請求都要執行一遍;

其實步驟2)、3)產生的語法樹和opcode,同一個PHP腳本每次執行的結果都是一樣的,

在PHP-FPM模式下,每次請求都要處理一遍,是對系統資源極大的浪費,那麼有沒有辦法優化呢?

當然有,如:

  • OPCache:前身是Zend Optimizer ,是Zend Server 的開源元件;官方出品,強力推薦
  • APC: Alternative PHP Cache 是一個開放自由的PHP opcode 快取元件,用於快取、最佳化PHP 中間程式碼;已經不更新了不推薦
  • APCu:是APC的一個分支,共享內存,快取用戶數據,不能快取opcode ,可以配合Opcache 使用
  • eAccelerate:同樣是不更新了,不推薦
  • xCache:不再推薦使用了

2. OPCache 介紹

OPCache 是Zend官方出品的,開放自由的opcode 快取擴展,還具有程式碼最佳化功能,省去了每次載入和解析PHP 腳本的開銷。

PHP 5.5.0 及後續版本中已經綁定了 OPcache 擴充。

快取兩類內容:

  • OPCode
  • Interned String,如註解、變數名稱等

3. OPCache 原理

OPCache快取的機制主要是:將編譯好的操作碼放入共享內存,提供給其他進程存取#。

這裡就牽涉到記憶體共享機制,另外所有記憶體資源操作都有鎖定的問題,我們一一解讀。

3.1 共享記憶體

UNIX/Linux 系統提供許多進程間記憶體共享的方式:

  • System-V shm API: System V共享記憶體,
    • sysv shm是持久化的,除非被一個行程明確的刪除,否則它總是存在於記憶體裡,直到系統關機;
  • mmap API:
    • mmap映射的內存在不是持久化的,如果進程關閉,映射隨即失效,除非事先已經映射到了一個文件上
    • 內存映射機制mmap是POSIX標準的系統調用,有匿名映射和檔案映射兩種
    • mmap的一大優點是把檔案映射到進程的位址空間
    • 避免了資料從用戶緩衝區到核心page cache緩衝區的複製過程;
    • 當然還有一個優點就是不需要頻繁的read/write系統呼叫
  • ##POSIX API: System V 的共享記憶體是過時的, POSIX共享內存提供了使用更簡單、設計更合理的API.
  • Unix socket API
OPCache 使用了前三個共享內存機制,根據配置或者預設mmap 記憶體共享模式。

依據PHP字節碼快取的場景,OPCache的記憶體管理設計非常簡單,快速讀寫,不釋放內存,過期資料置為Wasted。

當Wasted記憶體大於設定值時,自動重新啟動OPCache機制,清空並重新產生快取。

3.2 互斥鎖定

#任何記憶體資源的操作,都牽涉到鎖的機制。

共享記憶體:一個單位時間內,只允許一個程序執行寫入操作,允許多個程序執行讀取操作;

寫入操作同時,不阻止讀取操作,以至於很少有鎖死的情況。

這就引發另一個問題:新程式碼、大流量場景,行程排隊執行快取opcode操作;重複寫入,導致資源浪費。

4. OPCache 快取解讀

OPCache 是官方的Opcode 快取解決方案,在PHP5.5版本之後,已經打包到PHP原始碼中一起發布。

它將PHP編譯產生的字節碼以及資料快取到共享記憶體中, 在每次請求,從快取中直接讀取編譯後的opcode,進行執行。

透過節省腳本的編譯過程,提升PHP的運作效率。

如果正在使用APC擴展,做同樣的工作,現在強烈建議OPCache來代替,尤其是PHP7。

4.1 OPCode 快取

#Opcache 會快取OPCode以及如下內容:

  • PHP腳本涉及的函數
  • PHP腳本中定義的Class
  • PHP腳本檔案路徑
  • PHP腳本OPArray
  • ##PHP腳本本身結構/內容

4.2 Interned String 快取

首先我們需要理解,什麼是Interned String?

在PHP5.4的時候, 引入了Interned String機制, 用於優化PHP對字串的儲存和處理。

尤其是處理大塊的字串,例如PHP doces時,Interned String 可以優化記憶體。

Interned String 快取的內容包括:

變數名稱、類別名稱、方法名稱、字串、註解等。

在PHP-FPM模式中,Interned String 快取字符,僅限於Worker 進程內部。

而快取到OPCache中,那麼Worker進程之間可以使用 Interned String 快取的字串,節省記憶體。

我們要注意一個事情,

在PHP開發中,一般會有大段的註釋,也會被快取到OPCache。

可以透過php.ini的配置,關閉註解的快取。

但是,像Zend Framework等框架中,

會引用註釋,所以,是否關閉註釋的緩存,需要區別對待。

5. OPCache 更新策略

是緩存,都存在過期,以及更新策略等。

而OPCache的更新策略非常簡單,到期資料置為Wasted,達到設定值,清空緩存,重建快取。

這裡要注意:

在高流量的場景下,重建快取是一件非常耗費資源的事兒。

OPCache 在建立快取時並不會阻止其他進程讀取。

這會導致大量進程反覆新建快取。所以,

不要設定OPCache過期時間

每次發布新程式碼時,都會出現重複新建快取的情況。如何避免呢?

  • 不要在高峰期發布程式碼,這是任何情況下都要遵守的規則
  • 程式碼預熱,例如使用腳本批次調PHP 存取URL,或使用OPCache 暴露的API 如
  • opcache_compile_file() 進行編譯快取
##6. OPCache 的設定

#6.1 記憶體配置

    #opcache.preferred_memory_model="mmap"
  • OPcache 首選的記憶體模組。如果留空,OPcache 會選擇適用的模組, 通常情況下,自動選擇就可以滿足需求。可選值包括: mmapshm, posix 以及 win32
  • opcache.memory_consumption=64
  • OPcache 的共享記憶體大小,以兆位元組為單位,預設64M
  • #opcache.interned_strings_buffer =4
  • 用來儲存臨時字串的記憶體大小,以兆位元組為單位,預設4M
  • opcache.max_wasted_percentage=5
  • 浪費記憶體的上限,以百分比計。如果達到此上限,那麼 OPcache 將產生重新啟動續發事件。預設5

6.2 允許快取的檔案數以及大小

##opcache .max_accelerated_files=2000
    OPcache 哈希表中可儲存的腳本檔案數量上限。真實的取值是在質數集合
  • { 223, 463, 983, 1979, 3907, 7963, 16229, 32531, 65407, 130987 } 中找到的第一個等於設定值的質數大於設定值的質數。設定值取值範圍最小值是 200,最大值在 PHP 5.5.6 之前是 100000,PHP 5.5.6 及之後是 1000000。預設值2000opcache.max_file_size=0
  • 以位元組為單位的快取的檔案大小上限。設定為 0 表示快取全部檔案。預設值0
6.3 註解相關的快取

opcache.load_comments
  • boolean 如果停用,則即使文件中包含註釋,也不會載入這些註釋內容。本選項可以和 opcache.save_comments 一起使用,以實現按需載入註解內容。 opcache.fast_shutdown
  • boolean 如果啟用,則會使用快速停止續發事件。所謂快速停止續發事件是指依賴 Zend 引擎的記憶體管理模組 一次釋放全部請求變數的內存,而不是依序釋放每一個已分配的記憶體區塊。
6.4 二級快取的設定

#

  • opcache.file_cache 設定二級快取目錄並啟用二級快取。啟用二級快取可以在 SHM 記憶體滿了、伺服器重新啟動或重置 SHM 的時候提高效能。預設值為空字串 "",表示停用基於檔案的快取。
  • opcache.file_cache_only boolean 啟用或停用在共享記憶體中的 opcode 快取。
  • opcache.file_cache_consistency_checks boolean 當從檔案快取載入腳本的時候,是否對檔案的校驗和進行驗證。
  • opcache.file_cache_fallback boolean 在Windows 平台上,當一個行程無法附加到共享記憶體的時候, 使用基於檔案的緩存,也即: opcache.file_cache_only=1。需要顯示的啟用檔案快取。

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