PHP码农在Golang压力下的生存之道-PHP性能优化实践

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vpn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, "\1\1\0\1\0\10\0\0", 8)         = 8 <0.000018>   read(4, "\0\1\0\0\0\0\0\0", 8)          = 8 <0.000017>   read(4, "\1\4\0\1\2\276\2\0", 8)        = 8 <0.000017>   read(4, "\0177SCRIPT_FILENAME/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/index.php\f\0QUERY_STRING\16\3REQUEST_METHODGET\f\0CONTENT_TYPE\16\0CONTENT_LENGTH\v\nSCRIPT_NAME/index.php\v\rREQUEST_URI/Main/example\f\27DOCUMENT_URI/index.php/Main/example\r-DOCUMENT_ROOT/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public\17\10SERVER_PROTOCOLHTTP/1.1\21\7GATEWAY_INTERFACECGI/1.1\17\fSERVER_SOFTWAREnginx/1.12.1\v\nREMOTE_ADDR10.20.1.19\v\5REMOTE_PORT35085\v\nSERVER_ADDR10.20.1.13\v\2SERVER_PORT80\v\34SERVER_NAMEshenguanpu.test_yaf.panda.tv\21\0HTTP_X_REQUEST_ID\17\3REDIRECT_STATUS200\t\rPATH_INFO/Main/example\17:PATH_TRANSLATED/home/shenguanpu/devspace/test_yaf/src/public/Main/example\t\34HTTP_HOSTshenguanpu.test_yaf.panda.tv\17\vHTTP_USER_AGENTcurl/7.44.0\v\3HTTP_ACCEPT*/*\0\0", 704) = 704 <0.000017>   read(4, "\1\4\0\1\0\0\0\0", 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, "\1\6\0\1\0/\1\0Content-type: text/html; charset=UTF-8\r\n\r\ntest1\0\1\3\0\1\0\10\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0", 72) = 72 <0.000086>   shutdown(4, SHUT_WR)                    = 0 <0.000023>   recvfrom(4, "\1\5\0\1\0\0\0\0", 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, "\3\0\0\0b\0\0\0\np\3\0GET /Main/example?test=1 HTTP/1.1\r\nHost: 10.20.1.13:9601\r\nUser-Agent: curl/7.44.0\r\nAccept: */*\r\n\r\n", 8192) = 110 <0.000029>   sendto(4, "\3\0\0\0\252\0\0\0\0\377\0\0HTTP/1.1 200 OK\r\nServer: swoole-http-server\r\nContent-Type: text/html\r\nConnection: keep-alive\r\nDate: Fri, 26 Jan 2018 08:17:44 GMT\r\nContent-Length: 17\r\n\r\nthis 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

我的博客即将搬运同步至腾讯云+社区,邀请大家一同入驻:https://cloud.tencent.com/developer/support-plan

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