2022-01-05

深入分析PHP Opcache工作原理

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： mmap，shm, 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。

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