深入分析PHP Opcache工作原理

PHP專案中，尤其是在高並發大流量的場景中，如何提升PHP的回應時間，是一項十分重要的工作。

而Opcache又是優化PHP效能不可缺少的元件，尤其是應用了PHP框架的專案中，作用更是明顯。

1. 概述

在理解OPCache 功能之前，我們必須先理解PHP-FPM Nginx 的工作機制，以及PHP腳本解釋執行的機制。

1.1 PHP-FPM Nginx 的工作機制

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

第一步：啟動服務

• #啟動PHP-FPM。 PHP-FPM 支援兩種通訊模式：TCP socket和Unix socket;
• PHP-FPM 會啟動兩種類型的進程： Master 進程和Worker 進程，前者負責監控連接埠、指派任務、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。
• 啟動Nginx。 首先會載入ngx_http_fastcgi_module 模組，初始化FastCGI執行環境，實作FastCGI協定請求代理
• 這裡要注意：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
• 這裡就是代理PHP的handler

第三步：Nginx => PHP-FPM

##Nginx 把請求翻譯成fastcgi請求
• 透過TCP socket/Unix Socket 傳送給PHP-FPM 的master程序

## 步驟：PHP-FPM Master => Worker

PHP-FPM master 程序接收到請求

• 分配Worker進程執行PHP腳本，如果
• 沒有空閒的Worker，回傳502錯誤Worker(php-cgi)程序執行PHP腳本，如果
• 逾時，回傳504錯誤處理結束，回傳結果

第五步：PHP-FPM Worker => Master => Nginx

PHP-FPM Worker 程序傳回處理結果，並關閉連接，等待下一個請求

• PHP-FPM Master 進程透過Socket 回傳處理結果
• Nginx Handler順序將每一個回應buffer傳送給第一個filter → 第二個→ 以此類推→ 最終回應傳送給客戶端

1.2 PHP腳本解釋執行的機制了解了PHP Nginx 整體的處理流程後，我們接下來來看PHP腳本具體執行流程，

首先我們來看一個實例：

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

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

我們來分析執行過程：

• php初始化執行環節，#啟動Zend引擎，載入註冊的擴充模組

• 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)，產生語法樹

• Zend 引擎編譯語法樹，產生opcode#，

• Zend 引擎執行opcode，傳回執行結果

在PHP cli模式下，每次執行PHP腳本，四個步驟都會依序執行一遍；

在PHP-FPM模式下，步驟1)在PHP-FPM啟動時執行一次，後續的請求中不再執行；步驟2)~4)每個請求都要執行一遍;

其實步驟2)、3)產生的語法樹和opcode，同一個PHP腳本每次執行的結果都是一樣的，

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？

當然有，如：

• OPCache：前身是Zend Optimizer ，是Zend Server 的開源元件；官方出品，強力推薦
• APC: Alternative PHP Cache 是一個開放自由的PHP opcode 快取元件，用於快取、最佳化PHP 中間程式碼；已經不更新了不推薦
• APCu：是APC的一個分支，共享內存，快取用戶數據，不能快取opcode ，可以配合Opcache 使用
• eAccelerate：同樣是不更新了，不推薦
• xCache：不再推薦使用了

2. OPCache 介紹

OPCache 是Zend官方出品的，開放自由的opcode 快取擴展，還具有程式碼最佳化功能，省去了每次載入和解析PHP 腳本的開銷。

PHP 5.5.0 及後續版本中已經綁定了 OPcache 擴充。

快取兩類內容:

• OPCode
• Interned String，如註解、變數名稱等

3. OPCache 原理

OPCache快取的機制主要是：將編譯好的操作碼放入共享內存，提供給其他進程存取#。

這裡就牽涉到記憶體共享機制，另外所有記憶體資源操作都有鎖定的問題，我們一一解讀。

3.1 共享記憶體

UNIX/Linux 系統提供許多進程間記憶體共享的方式：

• System-V shm API: System V共享記憶體,
  • sysv shm是持久化的，除非被一個行程明確的刪除，否則它總是存在於記憶體裡，直到系統關機；
• mmap API：
  • mmap映射的內存在不是持久化的，如果進程關閉，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，有匿名映射和檔案映射兩種
  • mmap的一大優點是把檔案映射到進程的位址空間
  • 避免了資料從用戶緩衝區到核心page cache緩衝區的複製過程；
  • 當然還有一個優點就是不需要頻繁的read/write系統呼叫
##POSIX API： System V 的共享記憶體是過時的, 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，根據配置或者預設mmap 記憶體共享模式。

依據PHP字節碼快取的場景，OPCache的記憶體管理設計非常簡單，快速讀寫，不釋放內存，過期資料置為Wasted。

當Wasted記憶體大於設定值時，自動重新啟動OPCache機制，清空並重新產生快取。

3.2 互斥鎖定

#任何記憶體資源的操作，都牽涉到鎖的機制。

共享記憶體：一個單位時間內，只允許一個程序執行寫入操作，允許多個程序執行讀取操作；

寫入操作同時，不阻止讀取操作，以至於很少有鎖死的情況。

這就引發另一個問題：新程式碼、大流量場景，行程排隊執行快取opcode操作；重複寫入，導致資源浪費。

4. OPCache 快取解讀

OPCache 是官方的Opcode 快取解決方案，在PHP5.5版本之後，已經打包到PHP原始碼中一起發布。

它將PHP編譯產生的字節碼以及資料快取到共享記憶體中, 在每次請求，從快取中直接讀取編譯後的opcode，進行執行。

透過節省腳本的編譯過程，提升PHP的運作效率。

如果正在使用APC擴展，做同樣的工作，現在強烈建議OPCache來代替，尤其是PHP7。

4.1 OPCode 快取

#Opcache 會快取OPCode以及如下內容：

• PHP腳本涉及的函數
• PHP腳本中定義的Class
• PHP腳本檔案路徑
• PHP腳本OPArray
##PHP腳本本身結構/內容

4.2 Interned String 快取

首先我們需要理解，什麼是Interned String？

在PHP5.4的時候, 引入了Interned String機制, 用於優化PHP對字串的儲存和處理。

尤其是處理大塊的字串，例如PHP doces時，Interned String 可以優化記憶體。

Interned String 快取的內容包括：

變數名稱、類別名稱、方法名稱、字串、註解等。

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

而快取到OPCache中，那麼Worker進程之間可以使用 Interned String 快取的字串，節省記憶體。

我們要注意一個事情，

在PHP開發中，一般會有大段的註釋，也會被快取到OPCache。

可以透過php.ini的配置，關閉註解的快取。

但是，像Zend Framework等框架中，

會引用註釋，所以，是否關閉註釋的緩存，需要區別對待。

5. OPCache 更新策略

是緩存，都存在過期，以及更新策略等。

而OPCache的更新策略非常簡單，到期資料置為Wasted，達到設定值，清空緩存，重建快取。

這裡要注意：

在高流量的場景下，重建快取是一件非常耗費資源的事兒。

OPCache 在建立快取時並不會阻止其他進程讀取。

這會導致大量進程反覆新建快取。所以，

不要設定OPCache過期時間

每次發布新程式碼時，都會出現重複新建快取的情況。如何避免呢？

• 不要在高峰期發布程式碼，這是任何情況下都要遵守的規則
程式碼預熱，例如使用腳本批次調PHP 存取URL，或使用OPCache 暴露的API 如
• opcache_compile_file() 進行編譯快取

##6. OPCache 的設定

#6.1 記憶體配置

#opcache.preferred_memory_model="mmap"
• OPcache 首選的記憶體模組。如果留空，OPcache 會選擇適用的模組， 通常情況下，自動選擇就可以滿足需求。可選值包括： mmap，shm, posix 以及 win32。
opcache.memory_consumption=64
• OPcache 的共享記憶體大小，以兆位元組為單位，預設64M
#opcache.interned_strings_buffer =4
• 用來儲存臨時字串的記憶體大小，以兆位元組為單位，預設4M
opcache.max_wasted_percentage=5
• 浪費記憶體的上限，以百分比計。如果達到此上限，那麼 OPcache 將產生重新啟動續發事件。預設5

6.2 允許快取的檔案數以及大小

##opcache .max_accelerated_files=2000

OPcache 哈希表中可儲存的腳本檔案數量上限。真實的取值是在質數集合
• { 223, 463, 983, 1979, 3907, 7963, 16229, 32531, 65407, 130987 } 中找到的第一個等於設定值的質數大於設定值的質數。設定值取值範圍最小值是 200，最大值在 PHP 5.5.6 之前是 100000，PHP 5.5.6 及之後是 1000000。預設值2000opcache.max_file_size=0
以位元組為單位的快取的檔案大小上限。設定為 0 表示快取全部檔案。預設值0

6.3 註解相關的快取

opcache.load_comments

• boolean 如果停用，則即使文件中包含註釋，也不會載入這些註釋內容。本選項可以和 opcache.save_comments 一起使用，以實現按需載入註解內容。 opcache.fast_shutdown
boolean 如果啟用，則會使用快速停止續發事件。所謂快速停止續發事件是指依賴 Zend 引擎的記憶體管理模組 一次釋放全部請求變數的內存，而不是依序釋放每一個已分配的記憶體區塊。

6.4 二級快取的設定

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• opcache.file_cache 設定二級快取目錄並啟用二級快取。啟用二級快取可以在 SHM 記憶體滿了、伺服器重新啟動或重置 SHM 的時候提高效能。預設值為空字串 ""，表示停用基於檔案的快取。
• opcache.file_cache_only boolean 啟用或停用在共享記憶體中的 opcode 快取。
• opcache.file_cache_consistency_checks boolean 當從檔案快取載入腳本的時候，是否對檔案的校驗和進行驗證。
• opcache.file_cache_fallback boolean 在Windows 平台上，當一個行程無法附加到共享記憶體的時候， 使用基於檔案的緩存，也即： opcache.file_cache_only=1。需要顯示的啟用檔案快取。

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