PHP Opcache的工做原理

PHP项目中，尤为是在高并发大流量的场景中，如何提高PHP的响应时间，是一项十分重要的工做。

而Opcache又是优化PHP性能不可缺失的组件，尤为是应用了PHP框架的项目中，做用更是明显。

1. 概述

在理解 OPCache 功能以前，咱们有必要先理解PHP-FPM + Nginx 的工做机制，以及PHP脚本解释执行的机制。

1.1 PHP-FPM + Nginx 的工做机制

请求从Web浏览器到Nginx，再到PHP处理完成，一共要经历以下五个步骤：

第一步：启动服务

• 启动PHP-FPM。PHP-FPM 支持两种通讯模式：TCP socket和Unix socket；
• PHP-FPM 会启动两种类型的进程：Master 进程 和 Worker 进程，前者负责监控端口、分配任务、管理Worker进程；后者就是PHP的cgi程序，负责解释编译执行PHP脚本。
• 启动Nginx。首先会载入 ngx_http_fastcgi_module 模块，初始化FastCGI执行环境，实现FastCGI协议请求代理
• 这里要注意：fastcgi的worker进程(cgi进程)，是由PHP-FPM来管理，不是Nginx。Nginx只是代理

第二步：Request => Nginx

• Nginx 接收请求，并基于location配置，选择一个合适handler
• 这里就是代理PHP的 handler

第三步：Nginx => PHP-FPM

• Nginx 把请求翻译成fastcgi请求
• 经过TCP socket/Unix Socket 发送给PHP-FPM 的master进程

第四步：PHP-FPM Master => Worker

• PHP-FPM master 进程接收到请求
• 分配Worker进程执行PHP脚本，若是没有空闲的Worker，返回502错误
• Worker(php-cgi)进程执行PHP脚本，若是超时，返回504错误
• 处理结束，返回结果

第五步：PHP-FPM Worker => Master => Nginx

• PHP-FPM Worker 进程返回处理结果，并关闭链接，等待下一个请求
• PHP-FPM Master 进程经过Socket 返回处理结果
• Nginx Handler顺序将每个响应buffer发送给第一个filter → 第二个 → 以此类推 → 最终响应发送给客户端

1.2 PHP脚本解释执行的机制

了解了PHP + Nginx 总体的处理流程后，咱们接下来看一下PHP脚本具体执行流程，首先咱们看一个实例：

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

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

咱们分析一下执行过程：

1. php初始化执行环节，启动Zend引擎，加载注册的扩展模块
2. 初始化后读取脚本文件，Zend引擎对脚本文件进行词法分析(lex)，语法分析(bison)，生成语法树
3. Zend 引擎编译语法树，生成opcode，
4. Zend 引擎执行opcode，返回执行结果

在PHP cli模式下，每次执行PHP脚本，四个步骤都会依次执行一遍；

在PHP-FPM模式下，步骤1)在PHP-FPM启动时执行一次，后续的请求中再也不执行；步骤2)~4)每一个请求都要执行一遍；

其实步骤2)、3)生成的语法树和opcode，同一个PHP脚本每次运行的结果都是同样的，在PHP-FPM模式下，每次请求都要处理一遍，是对系统资源极大的浪费，那么有没有办法优化呢？

固然有，如：

• OPCache：前身是Zend Optimizer+ ，是 Zend Server 的一个开源组件；官方出品，强力推荐
• APC：Alternative PHP Cache 是一个开放自由的 PHP opcode 缓存组件，用于缓存、优化 PHP 中间代码；已经不更新了不推荐
• APCu：是APC的一个分支，共享内存，缓存用户数据，不能缓存opcode，能够配合Opcache 使用
• eAccelerate：一样是不更新了，不推荐
• xCache：再也不推荐使用了

2. OPCache 介绍

OPCache 是Zend官方出品的，开放自由的 opcode 缓存扩展，还具备代码优化功能，省去了每次加载和解析 PHP 脚本的开销。

PHP 5.5.0 及后续版本中已经绑定了 OPcache 扩展。

缓存两类内容:

• OPCode
• Interned String，如注释、变量名等

3. OPCache 原理

OPCache缓存的机制主要是：将编译好的操做码放入共享内存，提供给其余进程访问。

这里就涉及到内存共享机制，另外全部内存资源操做都有锁的问题，咱们一一解读。

3.1 共享内存

UNIX/Linux 系统提供不少种进程间内存共享的方式：

• System-V shm API: System V共享内存,
  • sysv shm是持久化的，除非被一个进程明确的删除，不然它始终存在于内存里，直到系统关机；
• mmap API：
  • mmap映射的内存在不是持久化的，若是进程关闭，映射随即失效，除非事先已经映射到了一个文件上
  • 内存映射机制mmap是POSIX标准的系统调用，有匿名映射和文件映射两种
  • mmap的一大优势是把文件映射到进程的地址空间
  • 避免了数据从用户缓冲区到内核page cache缓冲区的复制过程；
  • 固然还有一个优势就是不须要频繁的read/write系统调用
• POSIX API：System V 的共享内存是过期的, POSIX共享内存提供了使用更简单、设计更合理的API.
• Unix socket API

OPCache 使用了前三个共享内存机制，根据配置或者默认mmap 内存共享模式。

依据PHP字节码缓存的场景，OPCache的内存管理设计很是简单，快速读写，不释放内存，过时数据置为Wasted。

当Wasted内存大于设定值时，自动重启OPCache机制，清空并从新生成缓存。

3.2 互斥锁

任何内存资源的操做，都涉及到锁的机制。

共享内存：一个单位时间内，只容许一个进程执行写操做，容许多个进程执行读操做；

写操做同时，不阻止读操做，以致于不多有锁死的状况。

这就引起另一个问题：新代码、大流量场景，进程排队执行缓存opcode操做；重复写入，致使资源浪费。

4. OPCache 缓存解读

OPCache 是官方的Opcode 缓存解决方案，在PHP5.5版本以后，已经打包到PHP源码中一块儿发布。

它将PHP编译产生的字节码以及数据缓存到共享内存中, 在每次请求，从缓存中直接读取编译后的opcode，进行执行。

经过节省脚本的编译过程，提升PHP的运行效率。

若是正在使用APC扩展，作一样的工做，如今强烈推荐OPCache来代替，尤为是PHP7中。

4.1 OPCode 缓存

Opcache 会缓存OPCode以及以下内容：

• PHP脚本涉及到的函数
• PHP脚本中定义的Class
• PHP脚本文件路径
• PHP脚本OPArray
• PHP脚本自身结构/内容

4.2 Interned String 缓存

首先咱们须要理解，什么是 Interned String？

在PHP5.4的时候, 引入了Interned String机制, 用于优化PHP对字符串的存储和处理。

尤为是处理大块的字符串，好比PHP doces时，Interned String 能够优化内存。

Interned String 缓存的内容包括：变量名称、类名、方法名、字符串、注释等。

在PHP-FPM模式中，Interned String 缓存字符，仅限于Worker 进程内部。

而缓存到OPCache中，那么Worker进程之间可使用 Interned String 缓存的字符串，节省内存。

咱们须要注意一个事情，在PHP开发中，通常会有大段的注释，也会被缓存到OPCache中。

能够经过php.ini的配置，关闭注释的缓存。

可是，像Zend Framework等框架中，会引用注释，因此，是否关闭注释的缓存，须要区别对待。

5. OPCache 更新策略

是缓存，都存在过时，以及更新策略等。

而OPCache的更新策略很是简单，到期数据置为Wasted，达到设定值，清空缓存，重建缓存。

这里须要注意：在高流量的场景下，重建缓存是一件很是耗费资源的事儿。

OPCache 在建立缓存时并不会阻止其余进程读取。

这会致使大量进程反复新建缓存。因此，不要设置OPCache过时时间

每次发布新代码时，都会出现反复新建缓存的状况。如何避免呢？

• 不要在高峰期发布代码，这是任何状况下都要遵照的规则
• 代码预热，好比使用脚本批量调PHP 访问URL，或者使用OPCache 暴露的API 如opcache_compile_file() 进行编译缓存

6. OPCache 的配置

6.1 内存配置

• opcache.preferred_memory_model="mmap" OPcache 首选的内存模块。若是留空，OPcache 会选择适用的模块， 一般状况下，自动选择就能够知足需求。可选值包括： mmap，shm, posix 以及 win32。
• opcache.memory_consumption=64 OPcache 的共享内存大小，以兆字节为单位，默认64M
• opcache.interned_strings_buffer=4 用来存储临时字符串的内存大小，以兆字节为单位，默认4M
• opcache.max_wasted_percentage=5 浪费内存的上限，以百分比计。若是达到此上限，那么 OPcache 将产生从新启动续发事件。默认5

6.2 容许缓存的文件数量以及大小

• opcache.max_accelerated_files=2000 OPcache 哈希表中可存储的脚本文件数量上限
• 。真实的取值是在质数集合 { 223, 463, 983, 1979, 3907, 7963, 16229, 32531, 65407, 130987 } 中找到的第一个大于等于设置值的质数。
• 设置值取值范围最小值是 200，最大值在 PHP 5.5.6 以前是 100000，PHP 5.5.6 及以后是 1000000。默认值2000
• opcache.max_file_size=0 以字节为单位的缓存的文件大小上限。设置为 0 表示缓存所有文件。默认值0

6.3 注释相关的缓存

• opcache.load_commentsboolean 若是禁用，则即便文件中包含注释，也不会加载这些注释内容。
• 本选项能够和 opcache.save_comments 一块儿使用，以实现按需加载注释内容。
• opcache.fast_shutdown boolean 若是启用，则会使用快速中止续发事件。
• 所谓快速中止续发事件是指依赖 Zend 引擎的内存管理模块 一次释放所有请求变量的内存，而不是依次释放每个已分配的内存块。

6.4 二级缓存的配置

• opcache.file_cache 配置二级缓存目录并启用二级缓存。
• 启用二级缓存能够在 SHM 内存满了、服务器重启或者重置 SHM 的时候提升性能。
• 默认值为空字符串 ""，表示禁用基于文件的缓存。
• opcache.file_cache_onlyboolean 启用或禁用在共享内存中的 opcode 缓存。
• opcache.file_cache_consistency_checksboolean 当从文件缓存中加载脚本的时候，是否对文件的校验和进行验证。
• opcache.file_cache_fallbackboolean 在 Windows 平台上，当一个进程没法附加到共享内存的时候， 使用基于文件的缓存，也即：opcache.file_cache_only=1。须要显示的启用文件缓存。