有幸參與2015年的PHP技術峰會（PHPCON），聽了鳥哥（惠新宸）的關於PHP7的新特性和性能優化的分享，一切都令人感到激動。鳥哥是國內最權威的PHP專家，他的分享有很多非常有價值的東西，我通過整理分享的PPT和收集相關資料，整理為這篇解讀性質的技術文章，希望能給做PHP開發的同學一些幫助。
PHP已經走過了20年的歷史，直到今天，PHP7都發布了RC版，據說，PHP7正式版應該會在2015年11月份左右發布。PHP7對於上一個系列的PHP5.*，可以說是一個大規模的革新，尤其是在性能方面實現跨越式的大幅提升。
PHP是一種在全球范圍內被廣泛使用的Web開發語言，PHP7的革新也當然會給這些Web服務帶來更深刻的變化。這里引用鳥哥PPT中的一個圖表（82%的Web站點有使用PHP作為開發語言）：
（注：一個web站點可以會使用多種語言作為它的開發語言）
（注：本文含有不少從鳥哥PPT里的截圖，圖片版權歸鳥哥所有）
我們先看看兩張激動人心的性能測試結果圖：
Benchmark對比（圖片來自於PPT）：
PHP7的性能測試結果，性能壓測結果，耗時從2.991下降到1.186，大幅度下降60%。
WordPress的QPS壓測（圖片來自於PPT）：
而在WordPress項目中，PHP7對比PHP5.6，QPS提升2.77倍。
看完令人激動的性能測試結果對比，我們就進入正題哈。PHP7的新增特性很多，不過，我們會更聚焦於那些主要的變化。
一、新增特性和改變
1. 標量類型和返回類型聲明（Scalar Type Declarations & Scalar Type Declarations）
PHP語言一個非常重要的特點就是“弱類型”，它讓PHP的程序變得非常容易編寫，新手接觸PHP能夠快速上手，不過，它也伴隨着一些爭議。支持變量類型的定義，可以說是革新性質的變化，PHP開始以可選的方式支持類型定義。除此之外，還引入了一個開關指令declare(strict_type=1);，當這個指令一旦開啟，將會強制當前文件下的程序遵循嚴格的函數傳參類型和返回類型。
例如一個add函數加上類型定義，可以寫成這樣：
如果配合強制類型開關指令，則可以變為這樣：
如果不開啟strict_type，PHP將會嘗試幫你轉換成要求的類型，而開啟之后，會改變PHP就不再做類型轉換，類型不匹配就會拋出錯誤。對於喜歡“強類型”語言的同學來說，這是一大福音。
更為詳細的介紹：
2. 更多的Error變為可捕獲的Exception
PHP7實現了一個全局的throwable接口，原來的Exception和部分Error都實現了這個接口（interface）， 以接口的方式定義了異常的繼承結構。於是，PHP7中更多的Error變為可捕獲的Exception返回給開發者，如果不進行捕獲則為Error，如果捕獲就變為一個可在程序內處理的Exception。這些可被捕獲的Error通常都是不會對程序造成致命傷害的Error，例如函數不存。PHP7進一步方便開發者處理，讓開發者對程序的掌控能力更強。因為在默認情況下，Error會直接導致程序中斷，而PHP7則提供捕獲並且處理的能力，讓程序繼續執行下去，為程序員提供更靈活的選擇。
例如，執行一個我們不確定是否存在的函數，PHP5兼容的做法是在函數被調用之前追加的判斷function_exist，而PHP7則支持捕獲Exception的處理方式。
如下圖中的例子（截圖來源於PPT內）：
3. AST（Abstract Syntax Tree，抽象語法樹）
AST在PHP編譯過程作為一個中間件的角色，替換原來直接從解釋器吐出opcode的方式，讓解釋器（parser）和編譯器（compliler）解耦，可以減少一些Hack代碼，同時，讓實現更容易理解和可維護。
PHP5：
PHP7：
更多AST信息：
https://wiki.php.net/rfc/abstract_syntax_tree
4. Native TLS（Native Thread local storage，原生線程本地存儲）
PHP在多線程模式下（例如，Web服務器Apache的woker和event模式，就是多線程），需要解決“線程安全”（TS，Thread Safe）的問題，因為線程是共享進程的內存空間的，所以每個線程本身需要通過某種方式，構建私有的空間來保存自己的私有數據，避免和其他線程相互污染。而PHP5采用的方式，就是維護一個全局大數組，為每一個線程分配一份獨立的存儲空間，線程通過各自擁有的key值來訪問這個全局數據組。
而這個獨有的key值在PHP5中需要傳遞給每一個需要用到全局變量的函數，PHP7認為這種傳遞的方式並不友好，並且存在一些問題。因而，嘗試采用一個全局的線程特定變量來保存這個key值。
相關的Native TLS問題：
https://wiki.php.net/rfc/native-tls
5. 其他新特性
PHP7新特性和變化不少，我們這里並不全部展開來細說哈。
（1） Int64支持，統一不同平台下的整型長度，字符串和文件上傳都支持大於2GB。
（2） 統一變量語法（Uniform variable syntax）。
（3） foreach表現行為一致（Consistently foreach behaviors）
（4） 新的操作符 <=>, ??
（5） Unicode字符格式支持（\u{xxxxx}）
（6） 匿名類支持（Anonymous Class）
… …
二、跨越式的性能突破：全速前進
1. JIT與性能
Just In Time（即時編譯）是一種軟件優化技術，指在運行時才會去編譯字節碼為機器碼。從直覺出發，我們都很容易認為，機器碼是計算機能夠直接識別和執行的，比起Zend讀取opcode逐條執行效率會更高。其中，HHVM（HipHop Virtual Machine，HHVM是一個Facebook開源的PHP虛擬機）就采用JIT，讓他們的PHP性能測試提升了一個數量級，放出一個令人震驚的測試結果，也讓我們直觀地認為JIT是一項點石成金的強大技術。
而實際上，在2013年的時候，鳥哥和Dmitry（PHP語言內核開發者之一）就曾經在PHP5.5的版本上做過一個JIT的嘗試（並沒有發布）。PHP5.5的原來的執行流程，是將PHP代碼通過詞法和語法分析，編譯成opcode字節碼（格式和匯編有點像），然后，Zend引擎讀取這些opcode指令，逐條解析執行。
而他們在opcode環節后引入了類型推斷（TypeInf），然后通過JIT生成ByteCodes，然后再執行。
於是，在benchmark（測試程序）中得到令人興奮的結果，實現JIT后性能比PHP5.5提升了8倍。然而，當他們把這個優化放入到實際的項目WordPress（一個開源博客項目）中，卻幾乎看不見性能的提升，得到了一個令人費解的測試結果。
於是，他們使用Linux下的profile類型工具，對程序執行進行CPU耗時占用分析。
執行100次WordPress的CPU消耗的分布（截圖來自PPT）：
注解：
21%CPU時間花費在內存管理。
12%CPU時間花費在hash table操作，主要是PHP數組的增刪改查。
30%CPU時間花費在內置函數，例如strlen。
25%CPU時間花費在VM（Zend引擎）。
經過分析之后，得到了兩個結論：
（1）JIT生成的ByteCodes如果太大，會引起CPU緩存命中率下降（CPU Cache Miss）
在PHP5.5的代碼里，因為並沒有明顯類型定義，只能靠類型推斷。盡可能將可以推斷出來的變量類型，定義出來，然后，結合類型推斷，將非該類型的分支代碼去掉，生成直接可執行的機器碼。然而，類型推斷不能推斷出全部類型，在WordPress中，能夠推斷出來的類型信息只有不到30%，能夠減少的分支代碼有限。導致JIT以后，直接生成機器碼，生成的ByteCodes太大，最終引起CPU緩存命中大幅度下降（CPU Cache Miss）。
CPU緩存命中是指，CPU在讀取並執行指令的過程中，如果需要的數據在CPU一級緩存（L1）中讀取不到，就不得不往下繼續尋找，一直到二級緩存（L2）和三級緩存（L3），最終會嘗試到內存區域里尋找所需要的指令數據，而內存和CPU緩存之間的讀取耗時差距可以達到100倍級別。所以，ByteCodes如果過大，執行指令數量過多，導致多級緩存無法容納如此之多的數據，部分指令將不得不被存放到內存區域。
CPU的各級緩存的大小也是有限的，下圖是Intel i7 920的配置信息：
因此，CPU緩存命中率下降會帶來嚴重的耗時增加，另一方面，JIT帶來的性能提升，也被它所抵消掉了。
通過JIT，可以降低VM的開銷，同時，通過指令優化，可以間接降低內存管理的開發，因為可以減少內存分配的次數。然而，對於真實的WordPress項目來說，CPU耗時只有25%在VM上，主要的問題和瓶頸實際上並不在VM上。因此，JIT的優化計划，最后沒有被列入該版本的PHP7特性中。不過，它很可能會在更后面的版本中實現，這點也非常值得我們期待哈。
（2）JIT性能的提升效果取決於項目的實際瓶頸
JIT在benchmark中有大幅度的提升，是因為代碼量比較少，最終生成的ByteCodes也比較小，同時主要的開銷是在VM中。而應用在WordPress實際項目中並沒有明顯的性能提升，原因WordPress的代碼量要比benchmark大得多，雖然JIT降低了VM的開銷，但是因為ByteCodes太大而又引起CPU緩存命中下降和額外的內存開銷，最終變成沒有提升。
不同類型的項目會有不同的CPU開銷比例，也會得到不同的結果，脫離實際項目的性能測試，並不具有很好的代表性。
2. Zval的改變
PHP的各種類型的變量，其實，真正存儲的載體就是Zval，它特點是海納百川，有容乃大。從本質上看，它是C語言實現的一個結構體（struct）。對於寫PHP的同學，可以將它粗略理解為是一個類似array數組的東西。
PHP5的Zval，內存占據24個字節（截圖來自PPT）：
PHP7的Zval，內存占據16個字節（截圖來自PPT）：
Zval從24個字節下降到16個字節，為什么會下降呢，這里需要補一點點的C語言基礎，輔助不熟悉C的同學理解。struct和union（聯合體）有點不同，Struct的每一個成員變量要各自占據一塊獨立的內存空間，而union里的成員變量是共用一塊內存空間（也就是說修改其中一個成員變量，公有空間就被修改了，其他成員變量的記錄也就沒有了）。因此，雖然成員變量看起來多了不少，但是實際占據的內存空間卻下降了。
除此之外，還有被明顯改變的特性，部分簡單類型不再使用引用。
Zval結構圖（來源於PPT中）：
圖中Zval的由2個64bits（1字節=8bit，bit是“位”）組成，如果變量類型是long、bealoon這些長度不超過64bit的，則直接存儲到value中，就沒有下面的引用了。當變量類型是array、objec、string等超過64bit的，value存儲的就是一個指針，指向真實的存儲結構地址。
對於簡單的變量類型來說，Zval的存儲變得非常簡單和高效。
不需要引用的類型：NULL、Boolean、Long、Double
需要引用的類型：String、Array、Object、Resource、Reference
3. 內部類型zend_string
Zend_string是實際存儲字符串的結構體，實際的內容會存儲在val（char，字符型）中，而val是一個char數組，長度為1（方便成員變量占位）。
結構體最后一個成員變量采用char數組，而不是使用char*，這里有一個小優化技巧，可以降低CPU的cache miss。
如果使用char數組，當malloc申請上述結構體內存，是申請在同一片區域的，通常是長度是sizeof(_zend_string) + 實際char存儲空間。但是，如果使用char*，那個這個位置存儲的只是一個指針，真實的存儲又在另外一片獨立的內存區域內。
使用char[1]和char*的內存分配對比：
從邏輯實現的角度來看，兩者其實也沒有多大區別，效果很類似。而實際上，當這些內存塊被載入到CPU的中，就顯得非常不一樣。前者因為是連續分配在一起的同一塊內存，在CPU讀取時，通常都可以一同獲得（因為會在同一級緩存中）。而后者，因為是兩塊內存的數據，CPU讀取第一塊內存的時候，很可能第二塊內存數據不在同一級緩存中，使CPU不得不往L2（二級緩存）以下尋找，甚至到內存區域查到想要的第二塊內存數據。這里就會引起CPU Cache Miss，而兩者的耗時最高可以相差100倍。
另外，在字符串復制的時候，采用引用賦值，zend_string可以避免的內存拷貝。
6. PHP數組的變化（HashTable和Zend Array）
在編寫PHP程序過程中，使用最頻繁的類型莫過於數組，PHP5的數組采用HashTable實現。如果用比較粗略的概括方式來說，它算是一個支持雙向鏈表的HashTable，不僅支持通過數組的key來做hash映射訪問元素，也能通過foreach以訪問雙向鏈表的方式遍歷數組元素。
PHP5的HashTable（截圖來自於PPT）：
這個圖看起來很復雜，各種指針跳來跳去，當我們通過key值訪問一個元素內容的時候，有時需要3次的指針跳躍才能找對需要的內容。而最重要的一點，就在於這些數組元素存儲，都是分散在各個不同的內存區域的。同理可得，在CPU讀取的時候，因為它們就很可能不在同一級緩存中，會導致CPU不得不到下級緩存甚至內存區域查找，也就是引起CPU緩存命中下降，進而增加更多的耗時。
PHP7的Zend Array（截圖來源於PPT）：
新版本的數組結構，非常簡潔，讓人眼前一亮。最大的特點是，整塊的數組元素和hash映射表全部連接在一起，被分配在同一塊內存內。如果是遍歷一個整型的簡單類型數組，效率會非常快，因為，數組元素（Bucket）本身是連續分配在同一塊內存里，並且，數組元素的zval會把整型元素存儲在內部，也不再有指針外鏈，全部數據都存儲在當前內存區域內。當然，最重要的是，它能夠避免CPU Cache Miss（CPU緩存命中率下降）。
Zend Array的變化：
（1） 數組的value默認為zval。
（2） HashTable的大小從72下降到56字節，減少22%。
（3） Buckets的大小從72下降到32字節，減少50%。
（4） 數組元素的Buckets的內存空間是一同分配的。
（5） 數組元素的key（Bucket.key）指向zend_string。
（6） 數組元素的value被嵌入到Bucket中。
（7） 降低CPU Cache Miss。
7. 函數調用機制（Function Calling Convention）
PHP7改進了函數的調用機制，通過優化參數傳遞的環節，減少了一些指令，提高執行效率。
PHP5的函數調用機制（截圖來自於PPT）：
圖中，在vm棧中的指令send_val和recv參數的指令是相同，PHP7通過減少這兩條重復，來達到對函數調用機制的底層優化。
PHP7的函數調用機制（截圖來自於PPT）：
8. 通過宏定義和內聯函數（inline），讓編譯器提前完成部分工作
C語言的宏定義會被在預處理階段（編譯階段）執行，提前將部分工作完成，無需在程序運行時分配內存，能夠實現類似函數的功能，卻沒有函數調用的壓棧、彈棧開銷，效率會比較高。內聯函數也類似，在預處理階段，將程序中的函數替換為函數體，真實運行的程序執行到這里，就不會產生函數調用的開銷。
PHP7在這方面做了不少的優化，將不少需要在運行階段要執行的工作，放到了編譯階段。例如參數類型的判斷（Parameters Parsing），因為這里涉及的都是固定的字符常量，因此，可以放到到編譯階段來完成，進而提升后續的執行效率。
例如下圖中處理傳遞參數類型的方式，從左邊的寫法，優化為右邊宏的寫法。
三、小結
鳥哥的PPT里放出過一組對比數據，就是WordPress在PHP5.6執行100次會產生70億次的CPU指令執行數目，而在PHP7中只需要25億次，減少64.2%，這是一個令人震撼的數據。
在鳥哥的整個分享中，給我最深刻的一個觀點是：要注意細節，很多個細小的優化，一點點持續地積累，積少成多，最終匯聚為驚艷的成果。為山九仞，豈一日之功，我想大概也是這個道理。
毫無疑問，PHP7在性能方面實現跨越式的提升，如果能夠將這些成果應用在PHP的Web系統中，也許我們只需要更少的機器，就可以支撐起更高請求量的服務。PHP7正式版的發布，令人充滿無限憧憬。
參考&引用資料：
鳥哥（惠新宸）的分享PPT，http://www.laruence.com/
PHP官方社區，http://php.net/
致謝：
感謝鳥哥（惠新宸）提供的幫助與支持。
原文:http://hansionxu.blog.163.com/blog/static/24169810920158704014772