PHP的性能演进(从PHP5.0到PHP7.1的性能全评测)

sunbird

　　本文是最初是来自国外的这篇:PHP Performance Evolution 2016， 感谢高可用架构公众号翻译成了中文版, 此处是转载的高可用架构翻译后的文章从PHP 5到PHP 7性能全评测（含未发布的JIT版PHP 8对比）, 稍微调整了格式而成。
　　导读：PHP 是 Web 开发最常用的语言，每个大版本的更新都带来不少新特性和性能提升。特别是 PHP 7.0 的发布，带来 PHP 性能飞跃。本文作者对各个 PHP 版本进行了 CPU 性能基准测试，并且带来了PHP下个大版本的消息。本文中文版由高可用架构志愿者翻译。
　　自 1994 年 Rasmus Lerdorf 创建 PHP 以来， PHP 语言经历了许多改进，其中性能是开发人员在评估新版本时考虑的主要标准之一。
　　阅读这篇文章，可以了解从 PHP 5 到 7（包括 7.1）的性能提升，同时也将了解到即将加入到 PHP 8 的试验性的 JIT 分支版本的性能。
简介
　　本文将根据时间作出更新，增加更多信息和基准测试结果，包括尚未发布的新版本，以便更好地了解多年来 PHP 性能演变。如果您有更正或建议改进，请在文后留言。
　　自 1994 年 Rasmus Lerdorf 创建 PHP 以来， PHP 语言经历了激烈的演进。虽然第一版是一个简单的一人开发的 CGI 程序，Rasmus Lerdorf、Andi Gutmans 和 Zeev Suraski 加入了该语言的第三个版本的开发，并根本性重新设计。从那之后， PHP 开发组也创建并发展起来。
　　随着项目的发展，由于 PHP 3 天然的可扩展性， PHP 在核心和附加扩展开发的功能得到了蓬勃发展，如网络通信，解析，缓存和数据库支持。
　　语言本身也在发展，带来了一系列的改进。这包括支持面向对象的结构，例如类，接口， traits，闭包等。
　　对于许多开发人员来说，仅有新功能是不够的。随着语言越来越受欢迎， PHP 社区对于提供更好性能，可扩展性和更少内存使用的需求越来越强烈。
　　PHP 开发团队近 20 年来一直致力于解决这些需求，虽然 PHP 3 的引入大大提高了性能，但直到 Andi Gutmans 和 Zeev Suraski 引入 Zend Engine 并发布 PHP 4， PHP 的性能才开始变得正式起来。
　　2000 年推出的新的内存编译器和执行器模型大大提高了 PHP 的性能（提高了 5 倍甚至 10 倍），并首次被正式的 Web 应用程序和站点所使用。我们可以说，今天 PHP 的成果远远超出了任何人在 PHP 项目诞生时的期望。
　　PHP 的蓬勃发展增加了改善性能的欲望。幸运的是， Zend Engine 中设计的模型为持续优化性能提供了良好的基础。
　　虽然 PHP 5.0 没有带来实质性的性能提升，并且在某些情况下甚至比 PHP4 更慢，一个由 Dmitry Stogov 领导的团队在社区的大力帮助下已经在后续版本中不断优化语言，在 PHP 5.6 发布的时候，在大多数情况下，性能提升在 1.5x 和 3x 之间。
　　2015 年 12 月， PHP 7.0 取得了重大突破。 2016 年 12 月，7.1 版本也带来了一系列增强功能。
PHP 8 性能展望
　　这是一个前途光明的版本，目前正在开发当中，由 Zend 的 Dmitry Stogov 主导。虽然它是基于 PHP 7.1 版本基础，但实际版本号尚未定义，所以本文称这个版本为“试验 JIT”分支下。
　　关键功能 JIT（Just-In-Time）编译，是一种将代码转换为另一种字节码（比如运行它的机器 CPU 的本地代码）的技术。 JIT 可以使程序运行更快。
　　本文涵盖了几个基准测试的结果，从 PHP 5 的第一个版本到 PHP 的试验性 JIT 分支版本，PHP 5 之前的版本性能本文不作介绍。
　　在写这篇文章的时候，我们很难确定 PHP 8 之前是否会有另一个主要版本，比如 PHP 7.2。但是可以假设在 PHP 8 发布时，它已经包括当前试验版 JIT 分支的强大功能。
PHP 性能评估
　　本文只运行纯 CPU 任务脚本的基准测试（不需要I / O操作的任务例如访问文件，网络或数据库连接）。
　　使用的基准测试脚本如下所示：

• bench.php  可在PHP源代码的 php-src/Zend 目录
  
• micro_bench.php 也可以在 PHP 源代码发布的 php-src/Zend 目录中找到
  
• mandelbrot.php  https://gist.githubusercontent.com/dstogov/12323ad13d3240aee8f1/raw/37fed3beb7e666b70e199bcf361af541b3c30d2d/b.php
  

　　基准脚本仅使用每个PHP主要版本的最新小版本运行。因此，测试的版本如下：

• 5.0.5
  
• 5.1.6
  
• 5.2.17
  
• 5.3.29
  
• 5.4.45
  
• 5.5.38
  
• 5.6.28
  
• 7.0.13
  
• 7.1.0
  
• PHP-JIT(JIT实验分支)
  

　　当然，我想确定，我们在相同的基准上运行所有小版本，例如在 5.3.0 到 5.3.29 之间。结果是有说服力的：性能方面的主要增强不是由小版本带来的，而是主要版本号的变化，例如从 PHP 5.4 到 PHP 5.5，或从PHP 5.6 到 PHP 7。
　　小版本没有显示任何明显的性能改进。这意味着相同的脚本应该以相同的速度运行，无论您使用 PHP 5.4.0 还是 PHP 5.4.45。
　　您可以查看基准进程部分，详细说明主机系统的设置，各个基准的运行方式以及如何解释时序结果。
纯 CPU 基准测试结果
　　这部分给出了每个 PHP 版本的基准测试结果。
　　每个基准列显示 3 个值：

• 时间： 执行时间，以秒和毫秒为单位
  
• ％rel, gain：相对于以前的版本收益的执行时间。 在下面的表格中，例如，％rel。 bench.php 和版本 5.3.29 的收益是 31.89％，意味着该脚本比 5.2.17 版本运行快 31.89％。
  
• %abs, gain：与 PHP 5.0 相比脚本运行的收益。 如果你看看bench.php 和试验性的 JIT 分支的这个列的交集，你会注意到，对于这个特定的测试基准，PHP 8 比 PHP 5.0 快 41 倍以上。
  

　　纯CPU基准测试的结果如下所示：

　　CPU基准测试
　　
　　(1)测试不能在 5.3 之前的版本上运行，因为它使用了尚未实现的对象功能。
　　(2)此列中的结果有点偏颇，因为基准需要至少 PHP 5.3 运行。把它们当成纯粹说明，因为他们不能与 PHP 5.0 性能进行比较。
　　(3)这是一个 mandelbrot.php 脚本的修改版本，它运行得太快，在 7.1.0 和试验 JIT 分支无法准确的统计时间，我们在脚本中运行计算 100 次而不是 1 次。

　　当然，这些都是纯 CPU 的基准测试。它们不涵盖 PHP 性能的所有方面，它们可能不代表真实情况。但是结果足够显著，足以说明几个方面的问题：

• PHP 5.1 将 PHP 5.0的 性能提高了一倍多
  
• 5.2 和 5.3 带来了他们自己的一些性能增强，但他们没有像5.1版本那样引人注目。
  
• 5.4 版本是一个大的性能改进。（这里有我曾经分享过的PHP5.4的性能优化的演讲PPTPHP-5.4 Performance）
  
• opcache 扩展插件与 5.5 和 5.6 版捆绑在一起。当相同的脚本在 Web 服务器连续运行时，由于更快的代码加载会带来性能增强。但是，opcache 不会真正显示其在CLI模式下执行脚本的优势。
  
• PHP 7.0 是性能方面的一个重大突破。 Zend Engine 已经完全重新设计，我们可以在这里看到这项工作的结果。（这里有我曾经分享过的PHP7的性能优化的演讲的PPT The secret of PHP7′s Performance ）
  
• PHP 7.1 在 opcache 扩展中引入了 opcode 优化。这再次解释了上述表格中当与 7.0 相比时，性能的增益。(这里有我曾经分享过的PHP7.1的性能优化的演讲PPTPHP 7.1′s New Features and Performance
  
• 试验 JIT 分支是另一个重大突破，JIT 可以对现有代码提供很大的性能改进，但在某些情况下，你可能会注意到速度提高只有几个百分点，在最坏的情况下，它甚至可能会变慢，因为编译不会生成更快的代码。请记住，此功能目前正在开发中。
  

　　本节介绍了 3 个纯 CPU 基准测试脚本的结果。在运行通常执行的以数据库或文件访问典型场景的 PHP 应用程序时，它不会给出同样的数字，但我认为他们能够代表您对代码的某些部分期望的性能改进。
PHP 每个版本的性能提升
　　PHP 5 相比 PHP 4 带来了明显的改进。 Zend Engine 是 PHP 解释器的核心，它已经完全重新设计（ Zend Engine 2），为将来的增强功能奠定了基础。本文不多介绍 PHP 4 和 PHP 5 之间的差异，只简要概述的 PHP 5.0 之后发生了什么。
　　以下部分列出了在后续 PHP 版本中的改进。请注意，这里仅列出影响 PHP 核心的修改。有关更完整的描述，请查看 PHP 5 和 PHP 7 的change log。
　　PHP 5.1

• Compiled variables
  
• Specialized executor
  
• Real-path cache
  
• Faster switch() statement handling
  
• Faster array functions
  
• Faster variable fetches
  
• Faster magic method invocations
  

　　PHP 5.2

• New memory manager
  
• Optimized array/HashTable copying
  
• Optimized require_once() and include_once() statements
  
• Small optimization on specific internal functions
  
• Improved compilation of HEREDOCS and compilation of interpolated strings
  

　　PHP 5.3

• Segmented VM stack
  
• Stackless VM
  
• Compile-time constants substitution
  
• Lazy symbol table initialization
  
• Real-path cache improvement
  
• Improved PHP runtime speed and memory usage
  
• Faster language parsingImproved PHP binary>
  

　　PHP 5.4

• Delayed HashTable allocation
  
• Constant tables
  
• Run-Time binding caches
  
• Interned Strings
  
• Improved the output layer
  
• Improved ternary operator performance when using arrays
  

　　PHP 5.5

• Improved VM calling convention
  
• OPcache integration
  
• Other misc. optimizations to the Zend Engine
  

　　PHP 5.6

• Optimized empty string handling, minimizing the need to allocate new empty values
  

　　PHP 7.0
　　下面大部分列出的改进都与 Zend Engine 相关:

• Core data structures re-factoring
  
• Better VM calling convention
  
• New parameters parsing API
  
• Yet another new memory manager
  
• Many improvements in VM executor
  
• Significantly reduced memory usage
  
• Improved __call() and __callStatic() functions
  
• Improved string concatenation
  
• Improved character searching in strings
  

　　PHP 7.1

• New SSA based optimization framework (embedded into opcache)
  
• Global optimization of PHP bytecode based on type inference
  
• Highly specialized VM opcode handlers
  

　　PHP 8 / 下一代试验性 JIT 分支版

• Just-In-Time compiling
  

性能如何衡量
　　基准化比单纯运行 Unix 时间命令来测量脚本的执行有所区别。 这就是为什么我经历了以下步骤：
配置系统
　　首先我设置了一个具有以下特性的专用系统：

• 一个带有1个2.4GHz虚拟内核，2GB RAM和两个SSD驱动器的VPS，一个用于存储操作系统数据，另一个用于存储各种PHPyuan dai ma，二进制文件和报告输出
  
• Debian Wheezy操作系统，版本3.2.82-1
  
• Gnu C编译器版本4.9.2-10（Debian Jessie发行版）
  
• 虽然系统捆绑了Gnu C编译器版本4.7.2，但需要升级到更新的版本。 试验性 JIT 分支必须用Gnu C> = 4.8编译。
  

编译源代码
　　在构建完整发行版之前，使用以下选项运行配置脚本：

• --prefix=/usr/local/php
  
• --disable-debug
  
• --disable-phpdbg
  
• --enable-mysqlnd
  
• --enable-bcmath
  
• --with-bz2=/usr
  
• --enable-calendar
  
• --with-curl
  
• --enable-exif
  
• --enable-fpm
  
• --with-freetype-dir
  
• --enable-ftp
  
• --with-gd
  
• --enable-gd-jis-conv
  
• --enable-gd-native-ttf
  
• --with-gettext=/usr
  
• --with-gmp
  
• --with-iconv
  
• --enable-intl
  
• --with-jpeg-dir
  
• --enable-mbstring
  
• --with-mcrypt
  
• --with-openssl
  
• --enable-pcntl
  
• --with-pdo-mysql=mysqlnd
  
• --with-png-dir
  
• --with-recode=/usr
  
• --enable-shmop
  
• --enable-soap
  
• --enable-sockets
  
• --enable-sysvmsg
  
• --enable-sysvsem
  
• --enable-sysvshm
  
• --enable-wddx
  
• --with-xmlrpc
  
• --with-xsl
  
• --with-zlib=/usr
  
• --enable-zip
  
• --with-mysqli=mysqlnd
  

　　注意，在编译旧版时，上面的一些选项需要被禁用或被其他替代，并且并不是所有的扩展都可用或可以被编译。
运行基准测试
　　每个基准测试都使用 PHP CLI 专用脚本运行，该脚本遵循以下步骤：
　　使用 microtime（）函数从内部获取脚本执行时间。 在此修改后，基准脚本将如下所示：

• <?php
  
•     $__start__ = microtime( true );
  
•     /***
  
•         original benchmark script code here
  
•     ***/
  
•     fprintf( STDERR, microtime( true ) - $__start__);
  
• ?>
  

　　执行 2 次运行，以确保 PHP 可执行文件和基准测试脚本内容都在操作系统缓存中
　　运行脚本 5 次，并提取最小，最大和平均运行时间，如脚本报告。 本文仅显示平均运行时间，称之为“脚本运行时间”。
　　php.ini 文件如下所示：

• engine = On
  
• short_open_tag = Off
  
• realpath_cache_size = 2M
  
• max_execution_time = 86400
  
• memory_limit = 1024M
  
• error_reporting = 0
  
• display_errors = 0
  
• display_startup_errors = 0
  
• log_errors = 0
  
• default_charset = "UTF-8"
  
• 
  
• [opcache]
  
• zend_extension=opcache.so
  
• opcache.enable=1
  
• opcache.enable_cli=1
  
• opcache.optimization_level=-1
  
• opcache.fast_shutdown=1
  
• opcache.validate_timestamps=1
  
• opcache.revalidate_freq=60
  
• opcache.use_cwd=1
  
• opcache.max_accelerated_files=100000
  
• opcache.max_wasted_percentage=5
  
• opcache.memory_consumption=128
  
• opcache.consistency_checks=0
  
• opcache.huge_code_pages=1
  
• 
  
• // PHP 8/Next only
  
• opcache.jit=35
  
• opcache.jit_buffer_size=32M
  

分析运行结果
　　使用 Unix time 命令来计时，输出如下所示：

• $ time php bench.php
  
• real: 0m1.96s
  
• user: 0m1.912s
  
• sys: 0m0.044s
  

　　第一个值，real : 是命令开始到终止之间的时间（当你回到 shell 提示符）。
　　第二个值，user :说明在用户模式中花费的时间（在我们的例子中，这是在 php 可执行文件中花费的时间）。
　　最后一个值 sys :说明在操作系统（内核）调用中花费的时间。这个值应该是最小的，但是如果你的代码访问缓慢的设备结果会比较大。重负载的操作系统也可能影响此处报告的值。
　　在空闲系统上通常，数量（user + sys）应该非常接近 real。这是在上面的例子中的情况：user + sys = 1.956s，real 是 1.960s。 0.004s 的差异不属于当前进程：它仅仅意味着操作系统执行任务所花费的额外时间，例如调度。
　　同一个脚本在一个负载很重的系统上执行，并行编译 3 个不同的 PHP 版本：

• $ time php bench.php
  
• real: 0m7.812s
  
• user: 0m2.02s
  
• sys: 0m0.101s
  

　　在这里我清楚地看到，系统本身的重负载对使用的时间（也许在系统时间）有重大影响。
　　这就是为什么我在这个基准中保留一个额外的值，操作系统开销，这是调用的时间和（用户+系统）时间之间的差。
　　在纯 CPU 基准测试活动期间，我确保在 99％ 以上的时间，这个值严格小于 100 毫秒，即使运行需要几十秒钟完成的脚本。
结论
　　本文的目的是给你一个不同版本PHP性能的概述，从 5.0 开始，到当前正在开发的最新版本，使用一组已知的基准脚本。
　　它还为您提供了由每个连续 PHP 版本解决的性能改进方面的列表。
　　本文将随着新的 PHP 版本的公布而更新，并且将来会添加新的基准测试结果。 我也希望添加一些真实世界的 PHP 应用程序，如 WordPress 的基准测试结果。
　　如果您有任何问题或发现不准确，请随时发表评论。 同时，与其他对 PHP 性能感兴趣的开发人员分享这篇文章。