理解 PHP 8 的 JIT

ゝ一世哀愁。 2023-02-13 11:09 160阅读 0赞

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## TL;DR ##

PHP 8 的 JIT（Just In Time）编译器将作为扩展集成到 php 中 [Opcache 扩展][Opcache] 用于运行时将某些操作码直接转换为从 cpu 指令。

这意味着使用 JIT 后，Zend VM 不需要解释某些操作码，并且这些指令将直接作为 CPU 级指令执行。

## PHP 8 的 JIT ##

PHP 8 Just In Time (JIT) 编译器带来的影响是毋庸置疑的。但是到目前为止，我发现关于 JIT 应该做什么却知之甚少。

经过多次研究和放弃，我决定亲自检查 PHP 源代码。结合我对 C 语言的一些知识和我目前收集到的所有零散信息，我提出了这篇文章，我希望它能帮助您更好地理解 PHP 的 JIT。

简单一点来说 ： 当 JIT 按预期工作时，您的代码不会通过 Zend VM 执行，而是作为一组 CPU 级指令直接执行。

这就是全部的想法。

但是为了更好地理解它，我们需要考虑 php 如何在内部工作。不是很复杂，但需要一些介绍。

## PHP 的代码是怎么执行的？ ##

总所周知， PHP 是解释型语言，但这句话本身是什么意思呢？

每次执行 PHP 代码（命令行脚本或者 WEB 应用）时，都要经过 PHP 解释器。最常用的是 PHP-FPM 和 CLI 解释器。

解释器的工作很简单：接收 PHP 代码，对其进行解释，然后返回结果。

一般的解释型语言都是这个流程。有些语言可能会减少几个步骤，但总体的思路相同。在 PHP 中，这个流程如下：

1.  读取 PHP 代码并将其解释为一组称为 Tokens 的关键字。这个过程让解释器知道各个程序都写了哪些代码。 **这一步称为 Lexing 或 Tokenizing 。**
2.  拿到 Tokens 集合以后，PHP 解释器将尝试解析他们。通过称之为 Parsing 的过程生成抽象语法树（AST）。这里 AST 是一个节点集表示要执行哪些操作。比如，「 echo 1 + 1 」实际含义是 「打印 1 + 1 的结果」 或者更详细的说 「打印一个操作，这个操作是 1 + 1」。
3.  有了 AST ，可以更轻松地理解操作和优先级。将抽象语法树转换成可以被 CPU 执行的操作需要一个用于过渡的表达式 (IR)，在 PHP 中我们称之为 Opcodes 。将 AST 转换为 Opcodes 的过程称为 compilation 。
4.  有了 Opcodes ，有趣的部分就来了： executing 代码！ PHP 有一个称为 Zend VM 的引擎，该引擎能够接收一系列 Opcodes 并执行它们。执行所有 Opcodes 后， Zend VM 就会将该程序终止。

这个图可以让你更清楚：

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一个简化版的 PHP 解释流程概述。

如你所见。这里有个问题：即使 PHP 代码没改变，每次执行还是会走此流程吗？

让我们看回 Opcodes 。对了！这就是 **Opcache 扩展** 存在的原因。

## Opcache 扩展 ##

Opcache 扩展是 PHP 附带的，通常没必要停用它。使用 PHP 最好打开 Opcache 。

它的作用是为 Opcodes 添加一个内存共享缓存层。它的工作是从 AST 中提取新生成的 Opcodes 并缓存它们，以便执行时

可以跳过 Lexing/Tokenizing 和 Parsing 步骤。

这是包含 Opcache 扩展的流程示意图：

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PHP 使用 Opcache 的解释流程。如果文件已经被解析，则 PHP 会为其获取缓存的 Opcodes ，而不是再次解析。

完美的跳过了 Lexing/Tokenizing 、 Parsing 和 Compiling 步骤 。

**旁注：** 这是超赞的 [PHP 7.4 预加载功能 RFC ][PHP 7.4 _ RFC]! 允许你告诉 PHP FPM 解析代码库，将其转换为 Opcodes 并且在执行之前就将其缓存。

你想知道 JIT 是怎么参与这个解释流程的吗？这篇文章的将说明。

## Just In Time 编译有什么效果？ ##

听了 Zeev 在 [PHP Internals News 发表的 PHP 和 JIT 广播][PHP Internals News _ PHP _ JIT] 之后，我弄清了 JIT 实际做了什么事情。

如果说 Opcache 扩展可以更快的获取 Opcodes 将其直接转到 Zend VM，则 JIT 让它们完全不使用 Zend VM 即可运行。

Zend VM 是用 C 编写的程序，充当 Opcodes 和 CPU 之间的一层。 JIT 在运行时直接生成编译后的代码，因此 PHP 可以

**跳过 Zend VM 并直接被 CPU 执行。** 从理论上说，性能会更好。

这听起来很奇怪，因为在编译成机器码之前，需要为每种类型的结构体编写一个具体的实现。但实际上这也是合理的。

PHP 的 JIT 使用了名为 [DynASM (Dynamic Assembler)][DynASM _Dynamic Assembler] 的库，该库将一种特定格式的一组 CPU 指令映射为许多不同 CPU 类型的汇编代码。因此，编译器只需要使用 DynASM 就可以将 Opcodes 转换为特定结构体的机器码。

但是，有一个问题困扰了我很久。

## 如果预加载能够在执行之前将 PHP 代码解析为 Opcodes，并且 DynASM 可以将 Opcodes 编译为机器码 (Just In Time 编译) ，为什么我们不立即使用运行前编译 (Ahead of Time 编译) 立即编译 PHP 呢？ ##

通过收听 Zeev 的广播，我找到的原因之一就是 PHP 是弱类型语言，这意味着在 Zend VM 尝试执行某个操作码之前， PHP 通常不知道变量的类型。

可以查看 [Zend\_value 联合类型][Zend_value] 得知，很多指针指向不同类型的变量。每当 Zend VM 尝试从 Zend\_value 获取值时，它都会使用像 [ZSTR\_VAL][ZSTR_VAL] 这样的宏，获取联合类型中字符串的指针。

例如，这个 [Zend VM handler][] 是处理「小于或等于」(<=) 表达式。看看它编码这么多的 if else 分支，只是为了类型推断。

**使用机器码执行类型推断逻辑是不可行的，并且可能变得更慢。**

先求值再编译也不是一个好选择，因为编译为机器码是 CPU 密集型任务。因此，在运行时编译所有内容也不好。

## 那么 Just In Time 编译是怎么做的？ ##

现在我们知道无法很好的推断类型来提前编译。我们也知道在运行时进行编译的运算成本很高。那么 JIT 对 PHP 有何好处呢？

为了寻求平衡， PHP 的 JIT 尝试只编译有价值的 Opcodes 。为此， **JIT 会分析 Zend VM 要执行的 Opcodes 并检查可能编译的地方。（根据配置文件）**

当某个 Opcode 编译后，它将把执行交给该编译后的代码，而不是交给 Zend VM 。看起来如下：

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PHP 的 JIT 解释流程。如果已编译，则 Opcodes 不会通过 Zend VM 执行。

因此，在 Opcache 扩展中，有两条检测指令判断要不要编译 Opcode 。如果要，编译器将使用 DynASM 将此 Opcode 转换为机器码，并执行此机器码。

有趣的是，由于当前接口中编译的代码有 MB 的限制 (也是可配置的)，所以代码执行必须能够在 JIT 和解释代码之间无缝切换。

顺便说一句，[Benoit Jacquemont 在 php 的 JIT 上的这篇演讲][Benoit Jacquemont _ php _ JIT]帮助我理解了这整件事。

我仍然不确定编译部分什么时候有效进行，但我想现在我真的不想知道。

## 所以你的性能收益可能不会很大 ##

我希望现在大家都很清楚为什么大多数 php 应用程序不会因为使用即时编译器而获得很大的性能收益。这也是为什么 Zeev 建议为你的应用程序分析和试验不同的 JIT 配置是最好的方法。

如果您使用的是 PHP FPM，则通常会在多个请求之间共享已编译的操作码，但这仍然不能改变游戏规则。

这是因为 JIT 优化了计算密集型的操作，而如今大多数 php 应用程序比其他任何东西都更受 I/O 约束。如果您无论如何都要访问磁盘或网络，则处理操作是否已编译则无关紧要。时间上将非常相似。

**除非…**

你正在做一些不受 I/O 约束的事情， 像图像处理或机器学习。 任何不接触 I/O 的东西都将受益于 JIT 编译器。

这也是为什么现在人们说我们更愿意用 PHP 编写原生功能而不是 C 编写的原因。 如果仍然要编译此功能，则开销将毫无表现力。

有趣的时光成为一个 PHP 程序员…

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希望本文对您有所帮助，使您能更好的理解 PHP8 的 JIT。

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[PHP 7.4 _ RFC]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//wiki.php.net/rfc/preload
[PHP Internals News _ PHP _ JIT]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//phpinternals.news/7
[DynASM _Dynamic Assembler]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//luajit.org/dynasm.html
[Zend_value]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/php/php-src/blob/43443857b74503246ee4ca25859b302ed0ebc078/Zend/zend_types.h%23L282-L300
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[Benoit Jacquemont _ php _ JIT]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//afup.org/talks/3015-php-8-et-just-in-time-compilation
[T3-T4_PHP]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/102278033
[Link 1]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//jq.qq.com/%3F_wv%3D1027%26k%3D5kN6y8c