有幸参与2015年的PHP技术峰会（PHPCON），听了鸟哥（惠新宸）的关于PHP7的新特性和性能优化的分享，一切都使人感到激动。鸟哥是国内最权威的PHP专家，他的分享有不少很是有价值的东西，我经过整理分享的PPT和收集相关资料，整理为这篇解读性质的技术文章，但愿能给作PHP开发的同窗一些帮助。php
PHP已经走过了20年的历史，直到今天，PHP7都发布了RC版，听说，PHP7正式版应该会在2015年11月份左右发布。PHP7对于上一个系列的PHP5.*，能够说是一个大规模的革新，尤为是在性能方面实现跨越式的大幅提高。程序员
PHP是一种在全球范围内被普遍使用的Web开发语言，PHP7的革新也固然会给这些Web服务带来更深入的变化。这里引用鸟哥PPT中的一个图表（82%的Web站点有使用PHP做为开发语言）：web
（注：一个web站点能够会使用多种语言做为它的开发语言）数组
（注：本文含有很多从鸟哥PPT里的截图，图片版权归鸟哥全部）缓存
咱们先看看两张激动人心的性能测试结果图：安全
Benchmark对比（图片来自于PPT）：性能优化
PHP7的性能测试结果，性能压测结果，耗时从2.991降低到1.186，大幅度降低60%。服务器
WordPress的QPS压测（图片来自于PPT）：多线程
而在WordPress项目中，PHP7对比PHP5.6，QPS提高2.77倍。函数
看完使人激动的性能测试结果对比，咱们就进入正题哈。PHP7的新增特性不少，不过，咱们会更聚焦于那些主要的变化。
1、新增特性和改变
1. 标量类型和返回类型声明（Scalar Type Declarations & Scalar Type Declarations）
PHP语言一个很是重要的特色就是“弱类型”，它让PHP的程序变得很是容易编写，新手接触PHP可以快速上手，不过，它也伴随着一些争议。支持变量类型的定义，能够说是革新性质的变化，PHP开始以可选的方式支持类型定义。除此以外，还引入了一个开关指令declare(strict_type=1);，当这个指令一旦开启，将会强制当前文件下的程序遵循严格的函数传参类型和返回类型。
例如一个add函数加上类型定义，能够写成这样：
若是配合强制类型开关指令，则能够变为这样：
若是不开启strict_type，PHP将会尝试帮你转换成要求的类型，而开启以后，会改变PHP就再也不作类型转换，类型不匹配就会抛出错误。对于喜欢“强类型”语言的同窗来讲，这是一大福音。
更为详细的介绍：
2. 更多的Error变为可捕获的Exception
PHP7实现了一个全局的throwable接口，原来的Exception和部分Error都实现了这个接口（interface）， 以接口的方式定义了异常的继承结构。因而，PHP7中更多的Error变为可捕获的Exception返回给开发者，若是不进行捕获则为Error，若是捕获就变为一个可在程序内处理的Exception。这些可被捕获的Error一般都是不会对程序形成致命伤害的Error，例如函数不存。PHP7进一步方便开发者处理，让开发者对程序的掌控能力更强。由于在默认状况下，Error会直接致使程序中断，而PHP7则提供捕获而且处理的能力，让程序继续执行下去，为程序员提供更灵活的选择。
例如，执行一个咱们不肯定是否存在的函数，PHP5兼容的作法是在函数被调用以前追加的判断function_exist，而PHP7则支持捕获Exception的处理方式。
以下图中的例子（截图来源于PPT内）：
3. AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树）
AST在PHP编译过程做为一个中间件的角色，替换原来直接从解释器吐出opcode的方式，让解释器（parser）和编译器（compliler）解耦，能够减小一些Hack代码，同时，让实现更容易理解和可维护。
PHP5：
PHP7：
更多AST信息：
https://wiki.php.net/rfc/abstract_syntax_tree
4. Native TLS（Native Thread local storage，原生线程本地存储）
PHP在多线程模式下（例如，Web服务器Apache的woker和event模式，就是多线程），须要解决“线程安全”（TS，Thread Safe）的问题，由于线程是共享进程的内存空间的，因此每一个线程自己须要经过某种方式，构建私有的空间来保存本身的私有数据，避免和其余线程相互污染。而PHP5采用的方式，就是维护一个全局大数组，为每个线程分配一份独立的存储空间，线程经过各自拥有的key值来访问这个全局数据组。
而这个独有的key值在PHP5中须要传递给每个须要用到全局变量的函数，PHP7认为这种传递的方式并不友好，而且存在一些问题。于是，尝试采用一个全局的线程特定变量来保存这个key值。
相关的Native TLS问题：
https://wiki.php.net/rfc/native-tls
5. 其余新特性
PHP7新特性和变化很多，咱们这里并不所有展开来细说哈。
（1） Int64支持，统一不一样平台下的整型长度，字符串和文件上传都支持大于2GB。
（2） 统一变量语法（Uniform variable syntax）。
（3） foreach表现行为一致（Consistently foreach behaviors）
（4） 新的操做符 <=>, ??
（5） Unicode字符格式支持（\u{xxxxx}）
（6） 匿名类支持（Anonymous Class）
… …
2、跨越式的性能突破：全速前进
1. JIT与性能
Just In Time（即时编译）是一种软件优化技术，指在运行时才会去编译字节码为机器码。从直觉出发，咱们都很容易认为，机器码是计算机可以直接识别和执行的，比起Zend读取opcode逐条执行效率会更高。其中，HHVM（HipHop Virtual Machine，HHVM是一个Facebook开源的PHP虚拟机）就采用JIT，让他们的PHP性能测试提高了一个数量级，放出一个使人震惊的测试结果，也让咱们直观地认为JIT是一项点石成金的强大技术。
而实际上，在2013年的时候，鸟哥和Dmitry（PHP语言内核开发者之一）就曾经在PHP5.5的版本上作过一个JIT的尝试（并无发布）。PHP5.5的原来的执行流程，是将PHP代码经过词法和语法分析，编译成opcode字节码（格式和汇编有点像），而后，Zend引擎读取这些opcode指令，逐条解析执行。
而他们在opcode环节后引入了类型推断（TypeInf），而后经过JIT生成ByteCodes，而后再执行。
因而，在benchmark（测试程序）中获得使人兴奋的结果，实现JIT后性能比PHP5.5提高了8倍。然而，当他们把这个优化放入到实际的项目WordPress（一个开源博客项目）中，却几乎看不见性能的提高，获得了一个使人费解的测试结果。
因而，他们使用Linux下的profile类型工具，对程序执行进行CPU耗时占用分析。
执行100次WordPress的CPU消耗的分布（截图来自PPT）：
注解：
21%CPU时间花费在内存管理。
12%CPU时间花费在hash table操做，主要是PHP数组的增删改查。
30%CPU时间花费在内置函数，例如strlen。
25%CPU时间花费在VM（Zend引擎）。
通过分析以后，获得了两个结论：
（1）JIT生成的ByteCodes若是太大，会引发CPU缓存命中率降低（CPU Cache Miss）
在PHP5.5的代码里，由于并无明显类型定义，只能靠类型推断。尽量将能够推断出来的变量类型，定义出来，而后，结合类型推断，将非该类型的分支代码去掉，生成直接可执行的机器码。然而，类型推断不能推断出所有类型，在WordPress中，可以推断出来的类型信息只有不到30%，可以减小的分支代码有限。致使JIT之后，直接生成机器码，生成的ByteCodes太大，最终引发CPU缓存命中大幅度降低（CPU Cache Miss）。
CPU缓存命中是指，CPU在读取并执行指令的过程当中，若是须要的数据在CPU一级缓存（L1）中读取不到，就不得不往下继续寻找，一直到二级缓存（L2）和三级缓存（L3），最终会尝试到内存区域里寻找所须要的指令数据，而内存和CPU缓存之间的读取耗时差距能够达到100倍级别。因此，ByteCodes若是过大，执行指令数量过多，致使多级缓存没法容纳如此之多的数据，部分指令将不得不被存放到内存区域。
CPU的各级缓存的大小也是有限的，下图是Intel i7 920的配置信息：
所以，CPU缓存命中率降低会带来严重的耗时增长，另外一方面，JIT带来的性能提高，也被它所抵消掉了。
经过JIT，能够下降VM的开销，同时，经过指令优化，能够间接下降内存管理的开发，由于能够减小内存分配的次数。然而，对于真实的WordPress项目来讲，CPU耗时只有25%在VM上，主要的问题和瓶颈实际上并不在VM上。所以，JIT的优化计划，最后没有被列入该版本的PHP7特性中。不过，它极可能会在更后面的版本中实现，这点也很是值得咱们期待哈。
（2）JIT性能的提高效果取决于项目的实际瓶颈
JIT在benchmark中有大幅度的提高，是由于代码量比较少，最终生成的ByteCodes也比较小，同时主要的开销是在VM中。而应用在WordPress实际项目中并无明显的性能提高，缘由WordPress的代码量要比benchmark大得多，虽然JIT下降了VM的开销，可是由于ByteCodes太大而又引发CPU缓存命中降低和额外的内存开销，最终变成没有提高。
不一样类型的项目会有不一样的CPU开销比例，也会获得不一样的结果，脱离实际项目的性能测试，并不具备很好的表明性。
2. Zval的改变
PHP的各类类型的变量，其实，真正存储的载体就是Zval，它特色是海纳百川，有容乃大。从本质上看，它是C语言实现的一个结构体（struct）。对于写PHP的同窗，能够将它粗略理解为是一个相似array数组的东西。
PHP5的Zval，内存占据24个字节（截图来自PPT）：
PHP7的Zval，内存占据16个字节（截图来自PPT）：
Zval从24个字节降低到16个字节，为何会降低呢，这里须要补一点点的C语言基础，辅助不熟悉C的同窗理解。struct和union（联合体）有点不一样，Struct的每个成员变量要各自占据一块独立的内存空间，而union里的成员变量是共用一块内存空间（也就是说修改其中一个成员变量，公有空间就被修改了，其余成员变量的记录也就没有了）。所以，虽然成员变量看起来多了很多，可是实际占据的内存空间却降低了。
除此以外，还有被明显改变的特性，部分简单类型再也不使用引用。
Zval结构图（来源于PPT中）：
图中Zval的由2个64bits（1字节=8bit，bit是“位”）组成，若是变量类型是long、bealoon这些长度不超过64bit的，则直接存储到value中，就没有下面的引用了。当变量类型是array、objec、string等超过64bit的，value存储的就是一个指针，指向真实的存储结构地址。
对于简单的变量类型来讲，Zval的存储变得很是简单和高效。
不须要引用的类型：NULL、Boolean、Long、Double
须要引用的类型：String、Array、Object、Resource、Reference
3. 内部类型zend_string
Zend_string是实际存储字符串的结构体，实际的内容会存储在val（char，字符型）中，而val是一个char数组，长度为1（方便成员变量占位）。
结构体最后一个成员变量采用char数组，而不是使用char*，这里有一个小优化技巧，能够下降CPU的cache miss。
若是使用char数组，当malloc申请上述结构体内存，是申请在同一片区域的，一般是长度是sizeof(_zend_string) + 实际char存储空间。可是，若是使用char*，那个这个位置存储的只是一个指针，真实的存储又在另一片独立的内存区域内。
使用char[1]和char*的内存分配对比：
从逻辑实现的角度来看，二者其实也没有多大区别，效果很相似。而实际上，当这些内存块被载入到CPU的中，就显得很是不同。前者由于是连续分配在一块儿的同一块内存，在CPU读取时，一般均可以一同得到（由于会在同一级缓存中）。然后者，由于是两块内存的数据，CPU读取第一块内存的时候，极可能第二块内存数据不在同一级缓存中，使CPU不得不往L2（二级缓存）如下寻找，甚至到内存区域查到想要的第二块内存数据。这里就会引发CPU Cache Miss，而二者的耗时最高能够相差100倍。
另外，在字符串复制的时候，采用引用赋值，zend_string能够避免的内存拷贝。
6. PHP数组的变化（HashTable和Zend Array）
在编写PHP程序过程当中，使用最频繁的类型莫过于数组，PHP5的数组采用HashTable实现。若是用比较粗略的归纳方式来讲，它算是一个支持双向链表的HashTable，不只支持经过数组的key来作hash映射访问元素，也能经过foreach以访问双向链表的方式遍历数组元素。
PHP5的HashTable（截图来自于PPT）：
这个图看起来很复杂，各类指针跳来跳去，当咱们经过key值访问一个元素内容的时候，有时须要3次的指针跳跃才能找对须要的内容。而最重要的一点，就在于这些数组元素存储，都是分散在各个不一样的内存区域的。同理可得，在CPU读取的时候，由于它们就极可能不在同一级缓存中，会致使CPU不得不到下级缓存甚至内存区域查找，也就是引发CPU缓存命中降低，进而增长更多的耗时。
PHP7的Zend Array（截图来源于PPT）：
新版本的数组结构，很是简洁，让人眼前一亮。最大的特色是，整块的数组元素和hash映射表所有链接在一块儿，被分配在同一块内存内。若是是遍历一个整型的简单类型数组，效率会很是快，由于，数组元素（Bucket）自己是连续分配在同一块内存里，而且，数组元素的zval会把整型元素存储在内部，也再也不有指针外链，所有数据都存储在当前内存区域内。固然，最重要的是，它可以避免CPU Cache Miss（CPU缓存命中率降低）。
Zend Array的变化：
（1） 数组的value默认为zval。
（2） HashTable的大小从72降低到56字节，减小22%。
（3） Buckets的大小从72降低到32字节，减小50%。
（4） 数组元素的Buckets的内存空间是一同分配的。
（5） 数组元素的key（Bucket.key）指向zend_string。
（6） 数组元素的value被嵌入到Bucket中。
（7） 下降CPU Cache Miss。
7. 函数调用机制（Function Calling Convention）
PHP7改进了函数的调用机制，经过优化参数传递的环节，减小了一些指令，提升执行效率。
PHP5的函数调用机制（截图来自于PPT）：
图中，在vm栈中的指令send_val和recv参数的指令是相同，PHP7经过减小这两条重复，来达到对函数调用机制的底层优化。
PHP7的函数调用机制（截图来自于PPT）：
8. 经过宏定义和内联函数（inline），让编译器提早完成部分工做
C语言的宏定义会被在预处理阶段（编译阶段）执行，提早将部分工做完成，无需在程序运行时分配内存，可以实现相似函数的功能，却没有函数调用的压栈、弹栈开销，效率会比较高。内联函数也相似，在预处理阶段，将程序中的函数替换为函数体，真实运行的程序执行到这里，就不会产生函数调用的开销。
PHP7在这方面作了很多的优化，将很多须要在运行阶段要执行的工做，放到了编译阶段。例如参数类型的判断（Parameters Parsing），由于这里涉及的都是固定的字符常量，所以，能够放到到编译阶段来完成，进而提高后续的执行效率。
例以下图中处理传递参数类型的方式，从左边的写法，优化为右边宏的写法。
3、小结
鸟哥的PPT里放出过一组对比数据，就是WordPress在PHP5.6执行100次会产生70亿次的CPU指令执行数目，而在PHP7中只须要25亿次，减小64.2%，这是一个使人震撼的数据。
在鸟哥的整个分享中，给我最深入的一个观点是：要注意细节，不少个细小的优化，一点点持续地积累，聚沙成塔，最终汇聚为惊艳的成果。为山九仞，岂一日之功，我想大概也是这个道理。
毫无疑问，PHP7在性能方面实现跨越式的提高，若是可以将这些成果应用在PHP的Web系统中，也许咱们只须要更少的机器，就能够支撑起更高请求量的服务。PHP7正式版的发布，使人充满无限憧憬。
参考&引用资料：
鸟哥（惠新宸）的分享PPT，http://www.laruence.com/
PHP官方社区，http://php.net/
致谢：
感谢鸟哥（惠新宸）提供的帮助与支持。
原文:http://hansionxu.blog.163.com/blog/static/24169810920158704014772