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觀賞PHP7和HHVM的效能之爭

2020-07-16 10:06:14


最近關於PHP7和HHVM的效能對比，成為了一個熱點的爭議話題，大家都在討論和關注哪一個才是PHP效能提升的未來。

HHVM（HipHop Virtual Machine）的起源

HHVM是一個開源的PHP虛擬機器，使用JIT的編譯方式以及其他技術，讓PHP程式碼的執行效能大幅提升。據傳，可以將當前版本的原生PHP程式碼提升5-10倍的執行效能。

HHVM起源於Facebook公司，Facebook早起的很多程式碼是使用PHP來開發的，但是，隨著業務的快速發展，PHP執行效率成為越來越明顯的問題。為了優化執行效率，Facebook在2008年就開始使用HipHop，這是一種PHP執行引擎，最初是為了將Fackbook的大量PHP程式碼轉成 C++，以提高效能和節約資源。使用HipHop的PHP程式碼在效能上有數倍的提升。後來，Facebook將HipHop平台開源，逐漸發展為現在的HHVM。

1. PHP為什麼慢？

PHP的慢是相對於C/C++級別的語言來說，事實上，PHP語言最初的設計，就不是用來解決計算密集型的應用場景。我們可以這樣粗略理解為，PHP為了提升開發效率，而犧牲了執行效率。

我們知道PHP一個很大的特點，就是弱型別特性，也就是說，我可以隨意定義一個變數，然後給它隨意賦值為各種型別的資料。以一個int整型數位為例子，在C語言中：

int num = 200; // 通常是4位元組

但是，如果是PHP定義了一個同樣的變數，實際對應的儲存結構則是：

這個結構體將會佔據遠比C變數多得多的記憶體，PHP中定義方式如下：

$a = 200;//這變數將實際占用對比C變數很多倍的儲存空間。

其實對PHP來說，無論儲存什麼型別的資料，都是用上述「通殺」的結構體實現。為了相容PHP程式設計師的變數型別「亂入」，PHP做到了對開發者的友好，但是對執行引擎很殘酷。單個變數記憶體消耗可能還不明顯，一旦用到PHP的陣列等，則複雜度指數上升（陣列的實現是HashTable）。然後，Zend引擎執行時，將這些PHP程式碼編譯為opcode（PHP的中間位元組碼，格式有點類似於組合），由Zend引擎逐行解釋執行。

無論是字串的連線操作，還是陣列的簡單修改等，幾乎都是「PHP程式設計師一句話，Zend引擎跑斷腿」的節奏。因此，同樣的操作，對比C來說，PHP消耗了更多的CPU和記憶體等系統資源。除此之外，還有記憶體自動回收、變數型別判斷等等，都會增加系統資源的消耗。

例如，我用純PHP實現的快速排序函數和原生sort函數，排序10000個整型數位，來做一個耗時對比，結果如下：

原生的sort耗時3.44 ms，而我們自己實現的PHP函數sort則是68.79 ms。我們發現，兩者執行效率差距巨大。我的測試方式，是計算函數執行前後的時間間隔，而不是整個PHP指令碼從啟動到結束的時間。PHP指令碼啟動和關閉過程，本身有著一系列的初始化和清理工作，也會佔據不少的耗時。

通常情況下，PHP執行效率的排行是：

  1. 最快的是PHP語言結構（isset、echo等），PHP語言的一部分（它們根本不是函數）。
  2. 然後比較快的就是PHP的原生和拓展函數。PHP拓展，基於Zend API之上，用C實現的功能，執行效率和C++/Java是屬於同一個數量級的。
  3. 真正慢的就是，我們通過PHP自己寫的程式碼和函數。例如，假如我們使用的比較重的純PHP實現的框架，因為框架本身的模組很多，所以，會明顯拖累語言層面的執行效率，同時佔據更多的記憶體。（國內的Yaf框架，以拓展的方式實現，因此執行效率遠快於純PHP寫的框架）

在一般情況下，我們並不推薦用過PHP實現邏輯複雜計算型別的功能，尤其是Web系統流量比較大的場景下。因此，PHP程式設計師應該對PHP的各種原生函數和各類拓展有一個比較廣泛的了解，在具體的功能實現場景中，尋求更原生的解決方案（原生介面或者拓展），而不是自己寫一堆複雜的PHP程式碼來實現這型別功能。

如果有足夠的PHP拓展開發實力，將這型別業務功能重寫為一個PHP拓展，也會大幅提升程式碼的執行效率。這是一個非常不錯的方式，也被廣泛應用PHP優化中。但是，自己編寫的PHP業務拓展的缺點也很明顯：

  1. 拓展開發耗時比較長，需求變更的時候修改也複雜，寫得不好可能會影響Web服務穩定性。（例如，在Apache的worker模式下，多執行緒場景下掛掉，會影響同一個進程下的其他正常子執行緒。如果是多執行緒的Web模式，編寫拓展還需要支援執行緒安全）
  2. 拓展在PHP版本升級的時候，可能需要做額外的相容工作。
  3. 人員變動後的維護和接手成本也比較高。

實際上，在網際網路一線企業中，更常見的解決方案，並非增加PHP拓展，而用C/C++獨立寫一個服務server，然後PHP通過socket和服務server通訊來完成業務處理，並不將PHP本身和業務耦合在一起。

不過，Web服務大部分的效能瓶頸都在網路傳輸和其他服務server的耗時上（例如MySQL等），PHP執行的耗時在整體耗時的佔用比例非常小，所以從業務角度來說，影響可能並不明顯。

2. HHVM提升PHP執行效能的方式

HHVM提升PHP效能的途徑，採用的方式就是替代Zend引擎來生成和執行PHP的中間位元組碼（HHVM生成自己格式的中間位元組碼），執行時通過JIT（Just In Time，即時編譯是種軟體優化技術，指在執行時才會去編譯位元組碼為機器碼）轉為機器碼執行。Zend引擎預設做法，是先編譯為opcode，然後再逐條執行，通常每條指令對應的是C語言級別的函數。如果我們產生大量重複的opcode（純PHP寫的程式碼和函數），對應的則是Zend多次逐條執行這些C程式碼。而JIT所做的則是更進一步，將大量重複執行的位元組碼在執行的時候編譯為機器碼，達到提高執行效率的目的。通常，觸發JIT的條件是程式碼或者函數被多次重複呼叫。

普通的PHP程式碼，因為無法固定變數的型別，需要額外新增判斷型別的邏輯程式碼，這樣PHP程式碼是不利於CPU執行和優化的。因此，HHVM通常需要用到Hack寫法（為了相容某種特性而額外新增的技巧性質的程式碼）的PHP程式碼來「配合」，就是為了讓變數型別固定，方便虛擬機器編譯執行。PHP追求以一種形式來容納一切型別，而Hack則可以將被容納的一切標記上確定的型別。

PHP程式碼的Hack寫法的例子：

上面的例子中，PHP程式碼主要被新增上了變數型別。Hack寫法的總體方向，就是將之前「動態」的寫法變為「靜態」的寫法，來配合HHVM。

HHVM因為它的高效能而吸引了不少人的關注，一些一線網際網路公司也開始跟進使用。從純語言執行效能測試結果來看，HHVM領先了開發中的PHP7版本不少。

不過，從具體業務場景來看，HHVM和PHP7的差距並沒有那麼大，以WordPress開源部落格首頁為測試場景的結果中，他們目前的差距並不明顯。

但是，PHP7目前還在開發中，就已經可用的技術方案來看，目前的HHVM略勝一籌。不過，HHVM的部署和應用都存在一些的問題：

  1. 服務部署比較複雜，有一定維護成本。
  2. 對PHP原生程式碼並非完整支援，PHP拓展也需要做適當的相容。
  3. HHVM是個新虛擬機器，長時間執行有記憶體洩露。（據說，一線網際網路公司在應用這個技術時，是通過自己打Patch的方式解決記憶體洩露）

HHVM畢竟是一個相對比較新的開源專案，發展到成熟仍然需要一定時間。

PHP7的效能革新

PHP長期以來飽受批評的效能問題，將會在這個版本得到大幅度的改善。版本中間沒有PHP6哈，據說，是因為這個版本曾經立過專案，後來大部分功能都在5.x的版本裡實現了，為了避免混淆，下一個大版本直接就是PHP7。（幾年以前，我還看到過關於PHP6的書籍。）

1. PHP7的介紹

雖然PHP7的正式版本可能要到2015年的10月份才發布，不過明年6月份應可以看見一個測試版本了，之後是3-4個月的品質保證。

PHP社群的專案計劃如下：

因為專案仍然處於開發中的原因，從表格中，可以看見的特性描述都比較模糊。肯定有更多的其他特性，只是尚未公布。下面的這些，是從PHP社群看見的，因為PHP7是一個開發中的專案，下面的這些也不一定準確，不過，不妨礙我們一起來看看。

  1. PHPNG（PHP next generation，下一代PHP），對Zend執行引擎本身的各種效能優化，其中JIT，可能會實現在Zend Opcache元件中。
  2. AST（Abstract Syntax Tree，抽象語法樹），目的是在PHP編譯過程引入一個中介軟體，替代直接從直譯器吐出opcode的方式。讓直譯器和編譯器解耦，可以減少大量Hack程式碼，同時，讓實現更容易理解和維護。
  3. uniform variable syntax（統一變數語法），引入一種內部一致和完整的變數語法，讓PHP的解析器更完整地支援各種型別的變數。部分變數的用法需要調整，例如變數的變數$$a等。
  4. 支援integer semantics（整型語意），例如NaN、Infinity、<<、>>，修正list()的一致性等等。

上面的特性中，最令人期待的就是PHPng的效能優化，PHP社群已經放出了一些效能的測速資料。從資料上看，PHPng的執行效能比起專案啟動之初，已經有接近1倍的提升。這個成績已經非常不錯，況且，最關鍵的是PHP7的優化計劃還有很多尚未完成。等到都全部完成了，相信我們可以看見一個效能更高的PHP7。

這測速資料是來自於PHP社群（wiki.php.net/phpng），擷取了一部分的資料：

對其當前PHP5.6版本，PHPNG的10月份效能提升已經非常明顯了：

簡單翻譯下：

  • 綜合測試速度提升35%。
  • 在實際應用場景有20%-70%的速度提升（WordPress首頁有60%的提升）
  • 更少的記憶體消耗
  • 支援大部分常用的SAPIs
  • 支援大部分的PHP拓展系結到資源分配（69個完成，6個待遷移）
  • 提供堪比HHVM3.3.0的執行速度

2. PHP的弱型別爭議

PHP被爭議的特點很多，但是隨著語言版本的發布和完善，功能和特性方面的批評開始變少了。但是，PHP的「弱型別」特性，卻明顯受到更多的爭議，從HHVM通過Hack的方式直接「去掉」了「弱型別」特性可以看出，HHVM並不喜歡「弱型別」特性。然而，在我們很多PHP程式設計師的眼中，這卻是PHP的重要優點之一。PHP裡的變數被設計得隨性和飄逸，海納百川，一切皆可包容，不是讓語言顯得更為簡單嗎？

實際上，有些人認為它是個嚴重的問題，對於「弱型別」的批評觀點大致如下：

  1. 在「嚴謹」的語言中，通常是預先定義好一個變數的型別，自始至終，變數的型別是固定的，使用範圍也是固定。而PHP的變數，通常我們只能看見它名字，型別大部分都不可以預先定義，並且還可以隨意改變。（記憶體分配不好管理）
  2. 為了相容弱型別特性，PHP需要實現大量相容程式碼，包括型別判斷、型別轉換、儲存方式等，增加了語言內部的複雜度。（執行效率低下）
  3. 變數的型別是不可控的，在執行過程中存在大量的「隱性型別轉換」，容易產生不可預知的結果。（這裡的確需要強調，PHP的型別轉換是個必須掌握的點，各種型別的互相轉換的可能會產生很多問題，尤其是初學PHP的同學哈）

他們認為，這些都不符合「所見即所得」的簡單性，而語法嚴謹的語言更高效率，也更容易「理解」。

受到類似批評的還有Javascript等語言，因為它在這個問題上的表現是一樣的。但是，一門語言最終被大規模使用，必然有它們的道理。PHP成為Web服務開發的首選指令碼語言，Javascript則直接稱霸Web前端領域，能走到這一步都不可能是偶然因素，開發者們用腳投票選擇了它們。程式語言是人類和機器溝通的橋樑，終極追求是實現「人人皆可程式化」的宏偉目標。

縱觀語言發展歷史，從0和1的機器碼開始，到組合語言，然後到C語言，再到動態指令碼語言PHP。執行效率呈指數下降，但是，學習門檻也呈指數降低。PHP語言不僅遮蔽了C的記憶體管理和指標的複雜性，而且更進一步遮蔽了變數型別的複雜性。提升了專案開發的效率，降低了學習的門檻，但同時犧牲了一定的執行效能。然後，HHVM的Hack給我們一種「回歸原始」的感覺，重新引入了變數的複雜性。當然，不同的語言解決不同場景下的問題，並不能夠一概而論。

小結

HHVM對PHP的效能提升，讓人眼前一亮，而磨刀霍霍的PHP7則讓人萬分期待。兩者都是極其優秀的開源專案，都在不斷前進和發展中。就目前而言，因為距離PHP7正式版的發布還有比較長的一段時間，所以當前效能優化方案的首選當然是HHVM。不過，就我個人而言，我比較看好PHP7，因為它更能做到PHP程式碼的向下相容。如果兩者效能相差不大，我會選擇簡單的那個。

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