PHP的性能演进(从PHP5.0到PHP7.1的性能全评测)

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[2] 也可以在 PHP 源代码发布的 php-src/Zend 目录中找到

mandelbrot.php[3]

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
开发版 JIT 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:

PHP的性能演进(从PHP5.0到PHP7.1的性能全评测)

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。

PHP的性能演进(从PHP5.0到PHP7.1的性能全评测)

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。(PHP核心开发者鸟哥曾经ppt说明php5.4性能改进的原因[4])
  • 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PHP核心开发者鸟哥的ppt说明php 7性能改进的原因[5])
  • 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。
  • 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 parsing
  • Improved PHP binary size and code startup

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。
  • 特别鸣谢
  • 特别鸣谢 Dmitry Stogov 和所有 PHP 核心开发者们。
  • 本文是和 Dmitry Stogov 合作完成的 , 他帮助审阅了文章内容 , 来保证这个文章的正确性。
  • Dmitry Stogov 曾经是 Truck MMCache 的开发者,在 PHP4 时代就可以用作共享内存中缓存 PHP Opcode,从那时候起,Dmitry Stogov 就加入了 Zend,一直到现在。
  • Dmitry 是 PHP NG 的主要开发者 , 也就是我们后来知道的 PHP7, 和 Dmitry 一起合作的有 Xinchen Hui(鸟哥),Nikita Popov,正是他们在一起开发了 PHP7 以及后来的版本包括 PHP JIT。
  • 在 PHP7 之前 , PHP5 时代的 Andi Gumans, Zeev Suraski 以及 Stas Malishev 等也做了很多的工作来提升 PHP5 的性能,限于篇幅,本文就不详细介绍。

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