PHP Opcache的工做原理

PHP項目中，尤爲是在高併發大流量的場景中，如何提高PHP的響應時間，是一項十分重要的工做。

而Opcache又是優化PHP性能不可缺失的組件，尤爲是應用了PHP框架的項目中，做用更是明顯。

1. 概述

在理解 OPCache 功能以前，咱們有必要先理解PHP-FPM + Nginx 的工做機制，以及PHP腳本解釋執行的機制。

1.1 PHP-FPM + Nginx 的工做機制

請求從Web瀏覽器到Nginx，再到PHP處理完成，一共要經歷以下五個步驟：

第一步：啓動服務

• 啓動PHP-FPM。PHP-FPM 支持兩種通訊模式：TCP socket和Unix socket；
• PHP-FPM 會啓動兩種類型的進程：Master 進程 和 Worker 進程，前者負責監控端口、分配任務、管理Worker進程；後者就是PHP的cgi程序，負責解釋編譯執行PHP腳本。
• 啓動Nginx。首先會載入 ngx_http_fastcgi_module 模塊，初始化FastCGI執行環境，實現FastCGI協議請求代理
• 這裏要注意：fastcgi的worker進程(cgi進程)，是由PHP-FPM來管理，不是Nginx。Nginx只是代理

第二步：Request => Nginx

• Nginx 接收請求，並基於location配置，選擇一個合適handler
• 這裏就是代理PHP的 handler

第三步：Nginx => PHP-FPM

• Nginx 把請求翻譯成fastcgi請求
• 經過TCP socket/Unix Socket 發送給PHP-FPM 的master進程

第四步：PHP-FPM Master => Worker

• PHP-FPM master 進程接收到請求
• 分配Worker進程執行PHP腳本，若是沒有空閒的Worker，返回502錯誤
• Worker(php-cgi)進程執行PHP腳本，若是超時，返回504錯誤
• 處理結束，返回結果

第五步：PHP-FPM Worker => Master => Nginx

• PHP-FPM Worker 進程返回處理結果，並關閉鏈接，等待下一個請求
• PHP-FPM Master 進程經過Socket 返回處理結果
• Nginx Handler順序將每個響應buffer發送給第一個filter → 第二個 → 以此類推 → 最終響應發送給客戶端

1.2 PHP腳本解釋執行的機制

瞭解了PHP + Nginx 總體的處理流程後，咱們接下來看一下PHP腳本具體執行流程，首先咱們看一個實例：

<?php
if (!empty($_POST)) {
    echo "Response Body POST: ", json_encode($_POST), "\n";
}

if (!empty($_GET)) {
    echo "Response Body GET: ", json_encode($_GET), "\n";
}

咱們分析一下執行過程：

1. php初始化執行環節，啓動Zend引擎，加載註冊的擴展模塊
2. 初始化後讀取腳本文件，Zend引擎對腳本文件進行詞法分析(lex)，語法分析(bison)，生成語法樹
3. Zend 引擎編譯語法樹，生成opcode，
4. Zend 引擎執行opcode，返回執行結果

在PHP cli模式下，每次執行PHP腳本，四個步驟都會依次執行一遍；

在PHP-FPM模式下，步驟1)在PHP-FPM啓動時執行一次，後續的請求中再也不執行；步驟2)~4)每一個請求都要執行一遍；

其實步驟2)、3)生成的語法樹和opcode，同一個PHP腳本每次運行的結果都是同樣的，在PHP-FPM模式下，每次請求都要處理一遍，是對系統資源極大的浪費，那麼有沒有辦法優化呢？

固然有，如：

• OPCache：前身是Zend Optimizer+ ，是 Zend Server 的一個開源組件；官方出品，強力推薦
• APC：Alternative PHP Cache 是一個開放自由的 PHP opcode 緩存組件，用於緩存、優化 PHP 中間代碼；已經不更新了不推薦
• APCu：是APC的一個分支，共享內存，緩存用戶數據，不能緩存opcode，能夠配合Opcache 使用
• eAccelerate：一樣是不更新了，不推薦
• xCache：再也不推薦使用了

2. OPCache 介紹

OPCache 是Zend官方出品的，開放自由的 opcode 緩存擴展，還具備代碼優化功能，省去了每次加載和解析 PHP 腳本的開銷。

PHP 5.5.0 及後續版本中已經綁定了 OPcache 擴展。

緩存兩類內容:

• OPCode
• Interned String，如註釋、變量名等

3. OPCache 原理

OPCache緩存的機制主要是：將編譯好的操做碼放入共享內存，提供給其餘進程訪問。

這裏就涉及到內存共享機制，另外全部內存資源操做都有鎖的問題，咱們一一解讀。

3.1 共享內存

UNIX/Linux 系統提供不少種進程間內存共享的方式：

• System-V shm API: System V共享內存,
  • sysv shm是持久化的，除非被一個進程明確的刪除，不然它始終存在於內存裏，直到系統關機；
• mmap API：
  • mmap映射的內存在不是持久化的，若是進程關閉，映射隨即失效，除非事先已經映射到了一個文件上
  • 內存映射機制mmap是POSIX標準的系統調用，有匿名映射和文件映射兩種
  • mmap的一大優勢是把文件映射到進程的地址空間
  • 避免了數據從用戶緩衝區到內核page cache緩衝區的複製過程；
  • 固然還有一個優勢就是不須要頻繁的read/write系統調用
• POSIX API：System V 的共享內存是過期的, POSIX共享內存提供了使用更簡單、設計更合理的API.
• Unix socket API

OPCache 使用了前三個共享內存機制，根據配置或者默認mmap 內存共享模式。

依據PHP字節碼緩存的場景，OPCache的內存管理設計很是簡單，快速讀寫，不釋放內存，過時數據置爲Wasted。

當Wasted內存大於設定值時，自動重啓OPCache機制，清空並從新生成緩存。

3.2 互斥鎖

任何內存資源的操做，都涉及到鎖的機制。

共享內存：一個單位時間內，只容許一個進程執行寫操做，容許多個進程執行讀操做；

寫操做同時，不阻止讀操做，以致於不多有鎖死的狀況。

這就引起另一個問題：新代碼、大流量場景，進程排隊執行緩存opcode操做；重複寫入，致使資源浪費。

4. OPCache 緩存解讀

OPCache 是官方的Opcode 緩存解決方案，在PHP5.5版本以後，已經打包到PHP源碼中一塊兒發佈。

它將PHP編譯產生的字節碼以及數據緩存到共享內存中, 在每次請求，從緩存中直接讀取編譯後的opcode，進行執行。

經過節省腳本的編譯過程，提升PHP的運行效率。

若是正在使用APC擴展，作一樣的工做，如今強烈推薦OPCache來代替，尤爲是PHP7中。

4.1 OPCode 緩存

Opcache 會緩存OPCode以及以下內容：

• PHP腳本涉及到的函數
• PHP腳本中定義的Class
• PHP腳本文件路徑
• PHP腳本OPArray
• PHP腳本自身結構/內容

4.2 Interned String 緩存

首先咱們須要理解，什麼是 Interned String？

在PHP5.4的時候, 引入了Interned String機制, 用於優化PHP對字符串的存儲和處理。

尤爲是處理大塊的字符串，好比PHP doces時，Interned String 能夠優化內存。

Interned String 緩存的內容包括：變量名稱、類名、方法名、字符串、註釋等。

在PHP-FPM模式中，Interned String 緩存字符，僅限於Worker 進程內部。

而緩存到OPCache中，那麼Worker進程之間可使用 Interned String 緩存的字符串，節省內存。

咱們須要注意一個事情，在PHP開發中，通常會有大段的註釋，也會被緩存到OPCache中。

能夠經過php.ini的配置，關閉註釋的緩存。

可是，像Zend Framework等框架中，會引用註釋，因此，是否關閉註釋的緩存，須要區別對待。

5. OPCache 更新策略

是緩存，都存在過時，以及更新策略等。

而OPCache的更新策略很是簡單，到期數據置爲Wasted，達到設定值，清空緩存，重建緩存。

這裏須要注意：在高流量的場景下，重建緩存是一件很是耗費資源的事兒。

OPCache 在建立緩存時並不會阻止其餘進程讀取。

這會致使大量進程反覆新建緩存。因此，不要設置OPCache過時時間

每次發佈新代碼時，都會出現反覆新建緩存的狀況。如何避免呢？

• 不要在高峯期發佈代碼，這是任何狀況下都要遵照的規則
• 代碼預熱，好比使用腳本批量調PHP 訪問URL，或者使用OPCache 暴露的API 如opcache_compile_file() 進行編譯緩存

6. OPCache 的配置

6.1 內存配置

• opcache.preferred_memory_model="mmap" OPcache 首選的內存模塊。若是留空，OPcache 會選擇適用的模塊， 一般狀況下，自動選擇就能夠知足需求。可選值包括： mmap，shm, posix 以及 win32。
• opcache.memory_consumption=64 OPcache 的共享內存大小，以兆字節爲單位，默認64M
• opcache.interned_strings_buffer=4 用來存儲臨時字符串的內存大小，以兆字節爲單位，默認4M
• opcache.max_wasted_percentage=5 浪費內存的上限，以百分比計。若是達到此上限，那麼 OPcache 將產生從新啓動續發事件。默認5

6.2 容許緩存的文件數量以及大小

• opcache.max_accelerated_files=2000 OPcache 哈希表中可存儲的腳本文件數量上限
• 。真實的取值是在質數集合 { 223, 463, 983, 1979, 3907, 7963, 16229, 32531, 65407, 130987 } 中找到的第一個大於等於設置值的質數。
• 設置值取值範圍最小值是 200，最大值在 PHP 5.5.6 以前是 100000，PHP 5.5.6 及以後是 1000000。默認值2000
• opcache.max_file_size=0 以字節爲單位的緩存的文件大小上限。設置爲 0 表示緩存所有文件。默認值0

6.3 註釋相關的緩存

• opcache.load_commentsboolean 若是禁用，則即便文件中包含註釋，也不會加載這些註釋內容。
• 本選項能夠和 opcache.save_comments 一塊兒使用，以實現按需加載註釋內容。
• opcache.fast_shutdown boolean 若是啓用，則會使用快速中止續發事件。
• 所謂快速中止續發事件是指依賴 Zend 引擎的內存管理模塊 一次釋放所有請求變量的內存，而不是依次釋放每個已分配的內存塊。

6.4 二級緩存的配置

• opcache.file_cache 配置二級緩存目錄並啓用二級緩存。
• 啓用二級緩存能夠在 SHM 內存滿了、服務器重啓或者重置 SHM 的時候提升性能。
• 默認值爲空字符串 ""，表示禁用基於文件的緩存。
• opcache.file_cache_onlyboolean 啓用或禁用在共享內存中的 opcode 緩存。
• opcache.file_cache_consistency_checksboolean 當從文件緩存中加載腳本的時候，是否對文件的校驗和進行驗證。
• opcache.file_cache_fallbackboolean 在 Windows 平臺上，當一個進程沒法附加到共享內存的時候， 使用基於文件的緩存，也即：opcache.file_cache_only=1。須要顯示的啓用文件緩存。