PHP码农在Golang压力下的生存之道－PHP性能优化实践

时间:2022-05-05
本文章向大家介绍PHP码农在Golang压力下的生存之道－PHP性能优化实践，主要内容包括语言特性、PHP的生命周期、PHP-FPM的生命周期、性能实验、dev压测、线上压测、性能分析、分析、1) php-fpm、2）yaf、3) swoole+yaf、结论、附录、基本概念、基础应用、原理机制和需要注意的事项等，并结合实例形式分析了其使用技巧，希望通过本文能帮助到大家理解应用这部分内容。

随着国内Golang的火爆，phper的生存压力越来越大，在一次内部技术讨论中，gopher甚至提出，要什么php，写php的全部开掉，唉，码农何苦为难码农。

本文试图寻找一种有效实践，减少php web程序和golang之间的性能差距，摆脱php在公司往后只能写后台的悲惨命运。

做优化的思路

1、了解php语言特性

2、了解php的执行过程

3、压测分析性能

语言特性

PHP被称为脚本语言或解释型语言，它没有被直接编译为机器指令，而是编译为一种中间代码的形式，无法直接在CPU上执行。 所以PHP的执行需要在进程级虚拟机上（见Virtual machine中的Process virtual machines，下文简称虚拟机）。

PHP语言，包括其他的解释型语言，其实是一个跨平台的被设计用来执行抽象指令的程序。PHP主要用于解决WEB开发相关的问题。

诸如Java, Python, C#, Ruby, Pascal, Lua, Perl, Javascript等编程语言所编写的程序，都需要在虚拟机上执行。虚拟机可以通过JIT编译技术将一部分虚拟机指令编译为机器指令以提高性能。PHP未来有可能加入JIT支持。

使用解释型语言的优点：

  • 代码编写简单，能够快速开发
  • 自动的内存管理
  • 抽象的数据类型，程序可移植性高

缺点：

  • 无法直接地进行内存管理和使用进程资源
  • 比编译为机器指令的语言速度慢：通常需要更多的CPU周期来完成相同的任务（JIT试图缩小差距，但永远不能完全消除）
  • 抽象了太多东西，以至于当程序出问题时，许多程序员难以解释其根本原因

PHP的生命周期

Zend虚拟机分为两大部分：

  • 编译：将PHP代码转换为虚拟机指令（OPCode）
  • 执行：执行生成的虚拟机指令

zend执行过程

1 2 3 4

词法分析（zend_language_scanner），将PHP代码转换为语言片段(Tokens) 语法分析（zend_language_parser）将Tokens转换成简单而有意义的表达式 编译（compiler），将表达式编译成Opocdes，返回zend_op_array指针 Zend Engine（zend_vm_execute），顺次执行Opcodes，每次一条， 根据传入的zend_op_array指针，执行opcode并将结果返回输出

解释型语言性能问题也就是因为每次执行脚本，上述过程都会重复执行。因此，也就出现了APC， xcache， eAccelerator等缓存，不过现在官方主推的是opcache

什么是opcode缓存

当解释器完成对脚本代码的分析后，便将它们生成可以直接运行的中间代码，也称为操作码（Operate Code，opcode）。Opcode cache的目地是避免重复编译，减少CPU和内存开销。如果动态内容的性能瓶颈不在于CPU和内存，而在于I/O操作，比如数据库查询带来的磁盘I/O 开销，那么opcode cache的性能提升是非常有限的。也就是opcode cache能带来CPU和内存开销的降低

APC， xcache， eAccelerator,opcache 使用共享内存进行存储，并且可以直接从中执行文件，而不用在执行前“反序列化”代码

 PHP-FPM的生命周期

模块初始化（master）

请求初始化 （worker）

执行脚本（worker）

请求关闭（worker）

模块关闭（master关闭）

由以上我们可以看到 php的优化思路：1、使用opcache去掉php生命周期的词法分析、语法分析、opcode生成环节  2、提升zend虚拟机性能 3、减少worker每次请求初始化的消耗

我们作为web开发者还能做什么优化呢？ 

1、使用轻量级框架

2、引入协程，解决多进程的调度消耗问题，解决IO阻塞问题

性能实验 

几种框架比较压测

首先使用php内置web server做个测试 

四核16G内存虚拟机，golang使用4个核，php使用单核

<!-- p.p1 {margin: 0.0px 0.0px 0.0px 0.0px; font: 14.0px Menlo; background-color: #cff5d6} span.s1 {font-variant-ligatures: no-common-ligatures} -->

/usr/local/php-7.0.11/bin/php -S 10.20.1.12:8000 router.php -c php.ini

php.ini:

[opcache]
zend_extension = opcache.so
opcache.memory_consumption=128
opcache.interned_strings_buffer=8
opcache.max_accelerated_files=400000
opcache.revalidate_freq=600
opcache.validate_timestamps=0
opcache.fast_shutdown=1
opcache.enable_cli=1
opcache.enable=1
[vld]
extension=vld.so

router.php

<?php
echo '{"errno":0,"errmsg":"success","data":"e"}';

siege -c 100 -r 10000 "http://10.20.1.12:8000/" -b

压测结果：

Transactions: 1000000 hits
Availability:		      100.00 %
Elapsed time:		       77.15 secs
Data transferred:	       39.10 MB
Response time:		        0.01 secs
Transaction rate:	    12961.76 trans/sec
Throughput:		        0.51 MB/sec
Concurrency:		       97.56
Successful transactions:     1000000
Failed transactions:	           0
Longest transaction:	        0.24
Shortest transaction:	        0.00

可以认为 php的虚拟机执行效率是可以的 ，使用golang的原生http模块echo helloworld 在24000 trans/sec 。

php的cpu利用率在100%，golang的利用率在 200% (设置了 runtime.GOMAXPROCS(4) 并没达到400%)

使用php-fpm方式挂载到nginx中去访问，直接请求index.php 并echo结果 trans: 7300 trans/sec

使用yaf controller方式 ，trans：5000 trans/sec , 损失了 32%的性能 ，略微尴尬

zan framework 3570 trans/sec

swoole！几年前测试，性能很不怎么样，如今，php7+swoole  25000 trans/sec  跟golang毫不逊色啊 ！

dev压测

dev02启动一个qps 2w+的curl接口

dev03 4核16G机器，分别跑yaf 、golang、es(EasySwoole，之后换成yaf+swoole，性能差不多)、lua ，执行空接口、访问11的redis、访问dev02的curl接口

yaf 开启opcode，使用线上dynamic php-fpm配置，

 es worker数设置为40（测试4核 40最佳）

案例

并发

请求数

失败数

QPS

性能指数(golang为基准)

yaf 空接口

200

100w

0

7013.11 trans/sec

24.5%

go 空接口

200

100w

0

28645.09 trans/sec

100%

es空接口

200

100w

0

27285.13 trans/sec

95%

yaf curl

200

100w

0

3475.33 trans/sec

26.3%

go curl

200

100w

0

13227.51 trans/sec

100%

es curl

200

100w

0

11178.18 trans/sec

84.5%

lua curl

200

100w

0

12528.19 trans/sec

94.7%

yaf redis read

200

100w

0

5389.09 trans/sec

32.6%

go redis read

200

100w

0

16550.81 trans/sec

100%

es redis read

200

100w

0

13917.88 trans/sec

84%

线上压测

当CPU提升到8核？

eris3v 压测 eris6v 的 yaf接口（access_log off ,减小写日志影响）

1、空接口  siege -c 200 -r 4000 "10.110.18.72:8360/main/example" -b -q Transaction rate:    20356.23 trans/sec 2、curl一次( lib httprequest写log) siege -c 200 -r 4000 "10.110.18.72:8360/main/curl" -b -q Transaction rate:    7560.01 trans/sec 3、curl一次( lib httprequest不写log) siege -c 200 -r 4000 "10.110.18.72:8360/main/curl" -b -q Transaction rate:    13807.39 trans/sec 4、读一次redis( zscore) siege -c 200 -r 4000 "10.110.18.72:8360/member/in?rid=30510982&groupid=10000" -b -q Transaction rate:    11677.13 trans/sec

5、读两次redis,  把测试3的逻辑在controller中执行两次 siege -c 200 -r 4000 "10.110.18.72:8360/member/in?rid=30510982&groupid=10000" -b -q Transaction rate:    8463.79 trans/sec

线上环境压测发现，8核16G机器下，yaf+php-fpm的性能有大幅提升，空接口可以跑满8个核，如果不经过nginx日志，性能和swoole、golang仅有10%~20%左右差距，swoole受限于master调度，无法跑满8个核，只有一个核负载100%，其他空闲较大（多开master？使用层面暂时无法解决）。siege 不开启 -q quiet模式，在使用V**或wifi情况下，有可能因为压测机到本机的同步output速度，影响压测结果，建议关闭。

性能分析

实验

问题简单化一下，我们测试一下在dev环境只有一个worker 只能利用单核情况下 原生php-fpm、php-fpm+yaf路由、 swoole+yaf的空跑接口性能差异（需要开启opcache）。

1、新建yaf项目 

2、 使用 https://github.com/LinkedDestiny/swoole-yaf新建swoole+yaf项目，使用yaf作为路由

其中 yaf项目 可更改 src/public/index.php   只echo "hello world" ，不启动yaf 作为测试1 ，启动yaf 执行MainController中的exampleAction作为测试2，swoole+yaf项目作为测试3

siege -c 300 -r 3000  "10.20.1.13/Main/example" -b -q 

90w请求

备注

测试1: php-fpm

5990 trans/sec

测试2: yaf

2687 trans/sec

测试3: swoole+yaf

18382 trans/sec

过nginx代理则变为8980 trans/sec，日志是性能杀手 golang也是一样，性能损失50%

分析

分别执行一次请求，使用strace 分别跟踪master和worker执行,  

sudo strace -p 5450 -s 10000 -T  ，具体调用操作见附录

1) php-fpm

worker执行了24次系统调用 ，master没有操作，只是监控worker状态及重启

worker工作周期：

accept收到请求

1、fcgi_accept_request()  解析请求  fcgi_read_request() -> safe_read() ，调用了5次系统调用read() 才完成了fastcgi协议的解析

然后进入获取请求信息阶段，将请求的method、query string、request uri等信息保存worker进程的fpm_scoreboard_proc_s结构中

2、php_request_startup() 请求初始化

3、php_execute_script() 进入FPM_REQUEST_EXECUTING阶段，完成php脚本编译，执行操作 ，这个阶段虽然有opcache（已经对文件执行了open操作）仍然会做 getcwd chdir stat等系统操作去查找文件，然后执行 zend_execute_scripts ( zend_execute(op_array, retval);  ) , write 出结果

4、php_request_shutdown()   shutdown recvfrom 从主进程接收两次响应包， close  req文件描述符 ，这又是四次系统调用

2）yaf

执行了38次系统调用, 24次是和fpm相同的 ，会额外stat open一次 app.ini文件，stat  Bootstrap.php、 include文件和controller文件，并做内存页映射操作

3) swoole+yaf

只执行了5次系统调用,发挥了常驻进程的优势， 其他系统调用在初始化时即完成，之后的请求只需要master accept 和epoll出请求， worker read ，在用户态处理后 sendto master即可完成，很简洁。

结论

swoole+yaf因为是常驻进程，初始化只需要一次，在系统调用层面消耗非常少，单worker进程性能就非常强悍，但在多核多进程模型下，yaf和php-fpm又能依托多核硬件，追平性能差异，所以在机器预算有限情况下，比如1～4核，使用swoole+yaf ，相比yaf能大幅提升性能。在大部分web高性能接口场景，使用yaf或swoole就能够满足性能要求，且开发效率很高，并不必须要用golang。对于需要多线程、异步、长连接或者中间件、可靠分布式存储服务的场景还是选择golang比较靠谱，用swoole也有学习成本，不如只是用它最稳定成熟的地方。

附录

php-fpm系统调用：

times({tms_utime=0, tms_stime=0, tms_cutime=0, tms_cstime=0}) = 1031139243 <0.000072>   poll([{fd=4, events=POLLIN}], 1, 5000)  = 1 ([{fd=4, revents=POLLIN}]) <0.000021>   read(4, "11110", 8)         = 8 <0.000018>   read(4, "1", 8)          = 8 <0.000017>   read(4, "14122762", 8)        = 8 <0.000017>   read(4, "177SCRIPT_FILENAME/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/index.phpfQUERY_STRING163REQUEST_METHODGETfCONTENT_TYPE16CONTENT_LENGTHvnSCRIPT_NAME/index.phpvrREQUEST_URI/Main/examplef27DOCUMENT_URI/index.php/Main/exampler-DOCUMENT_ROOT/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public1710SERVER_PROTOCOLHTTP/1.1217GATEWAY_INTERFACECGI/1.117fSERVER_SOFTWAREnginx/1.12.1vnREMOTE_ADDR10.20.1.19v5REMOTE_PORT35085vnSERVER_ADDR10.20.1.13v2SERVER_PORT80v34SERVER_NAMEshenguanpu.test_yaf.panda.tv21HTTP_X_REQUEST_ID173REDIRECT_STATUS200trPATH_INFO/Main/example17:PATH_TRANSLATED/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/Main/examplet34HTTP_HOSTshenguanpu.test_yaf.panda.tv17vHTTP_USER_AGENTcurl/7.44.0v3HTTP_ACCEPT*/*", 704) = 704 <0.000017>   read(4, "141", 8)          = 8 <0.000034>   setitimer(ITIMER_PROF, {it_interval={0, 0}, it_value={30, 0}}, NULL) = 0 <0.000037>   rt_sigaction(SIGPROF, {0x798430, [PROF], SA_RESTORER|SA_RESTART, 0x3490c326a0}, {0x798430, [PROF], SA_RESTORER|SA_RESTART, 0x3490c326a0}, 8) = 0 <0.000027>   rt_sigprocmask(SIG_UNBLOCK, [PROF], NULL, 8) = 0 <0.000027>   getcwd("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf", 4095) = 35 <0.000022>   chdir("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public") = 0 <0.000049>   fcntl(3, F_SETLK, {type=F_RDLCK, whence=SEEK_SET, start=1, len=1}) = 0 <0.000030>   stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/index.php", {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=221, ...}) = 0 <0.000025>   chdir("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf") = 0 <0.000030>   times({tms_utime=0, tms_stime=0, tms_cutime=0, tms_cstime=0}) = 1031139243 <0.000017>   setitimer(ITIMER_PROF, {it_interval={0, 0}, it_value={0, 0}}, NULL) = 0 <0.000017>   fcntl(3, F_SETLK, {type=F_UNLCK, whence=SEEK_SET, start=0, len=0}) = 0 <0.000021>   write(4, "161/1Content-type: text/html; charset=UTF-8rnrntest113110", 72) = 72 <0.000086>   shutdown(4, SHUT_WR)                    = 0 <0.000023>   recvfrom(4, "151", 8, 0, NULL, NULL) = 8 <0.000027>   recvfrom(4, "", 8, 0, NULL, NULL)       = 0 <0.000024>   close(4)                                = 0 <0.000069>   setitimer(ITIMER_PROF, {it_interval={0, 0}, it_value={0, 0}}, NULL) = 0 <0.000024>

yaf比php-fpm多了14次系统调用

stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/index.php", {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=207, ...}) = 0 <0.000019> （yaf内操作开始） stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/conf/app.ini", {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=364, ...}) = 0 <0.000030>  open("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/conf/app.ini", O_RDONLY) = 5 <0.000023>   ioctl(5, SNDCTL_TMR_TIMEBASE or SNDRV_TIMER_IOCTL_NEXT_DEVICE or TCGETS, 0x7ffd3bf1f2d0) = -1 ENOTTY (Inappropriate ioctl for device) <0.000016>   fstat(5, {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=364, ...}) = 0 <0.000015>   mmap(NULL, 396, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 5, 0) = 0x7f7d06803000 <0.000022>   fstat(5, {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=364, ...}) = 0 <0.000015>   mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f7d06802000 <0.000017>   lseek(5, 0, SEEK_CUR)                   = 0 <0.000016>   munmap(0x7f7d06803000, 396)             = 0 <0.000022>   close(5)                                = 0 <0.000017>   munmap(0x7f7d06802000, 4096)            = 0 <0.000014>   stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/Bootstrap.php", {st_mode=S_IFREG|0775, st_size=2392, ...}) = 0 <0.000020>   stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/library/XLogKit.php", {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=1933, ...}) = 0 <0.000024>   stat("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/controllers/Main.php", {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=962, ...}) = 0 <0.000021> （往下回到fpm） chdir("/home/shenguanpu/devspace/test_yaf") = 0 <0.000022>

swoole+yaf

1、master   accept4(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(22468), sin_addr=inet_addr("10.20.1.19")}, [16], SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK) = 9 <0.000024>   epoll_ctl(8, EPOLL_CTL_ADD, 9, {EPOLLOUT, {u32=9, u64=9}}) = 0 <0.000019>   accept4(3, 0x7ffdf04ad430, [16], SOCK_CLOEXEC|SOCK_NONBLOCK) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) <0.000019>       2、worker   read(4, "3bnp3GET /Main/example?test=1 HTTP/1.1rnHost: 10.20.1.13:9601rnUser-Agent: curl/7.44.0rnAccept: */*rnrn", 8192) = 110 <0.000029>   sendto(4, "3252377HTTP/1.1 200 OKrnServer: swoole-http-serverrnContent-Type: text/htmlrnConnection: keep-alivernDate: Fri, 26 Jan 2018 08:17:44 GMTrnContent-Length: 17rnrnthis is a swoole!", 182, 0, NULL, 0) = 182 <0.000029>

参考文献：

php内核剖析

Linux系统调用列表

strace跟踪进程

fastcgi-protocol-specification

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