一、概述

 

在理解 OPCache 功能之前，我们有必要先理解PHP-FPM + Nginx 的工作机制，以及PHP脚本解释执行的机制。

 

1、PHP-FPM + Nginx 的工作机制

 

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

 

第一步：启动服务

 

• 启动PHP-FPM。PHP-FPM 支持两种通信模式：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

• 通过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，如果没有空闲的Worker，返回502错误

• Worker(php-cgi)进程执行PHP脚本，如果超时，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，并关闭连接，等待下一个请求

• PHP-FPM Master 进程通过Socket 返回处理结果

• Nginx Handler顺序将每一个响应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

 

2、PHP脚本解释执行的机制

 

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

 

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

 

我们分析一下执行过程：

 

• php初始化执行环节，启动Zend引擎，加载注册的扩展模块

• 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

• Zend 引擎编译语法树，生成opcode，

• 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，后续的请求中不再执行；步骤2)~4)每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一样的，

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？

 

当然有，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，可以配合Opcache 使用

• eAccelerate：同样是不更新了，不推荐

• xCache：不再推荐使用了

 

二、OPCache 介绍

 

OPCache 是Zend官方出品的，开放自由的 opcode 缓存扩展，还具有代码优化功能，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

 

三、OPCache 原理

 

OPCache缓存的机制主要是：将编译好的操作码放入共享内存，提供给其他进程访问。

这里就涉及到内存共享机制，另外所有内存资源操作都有锁的问题，我们一一解读。

 

1、共享内存

 

UNIX/Linux 系统提供很多种进程间内存共享的方式：

 

1）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，否则它始终存在于内存里，直到系统关机；

 

2）mmap API：

 

• mmap映射的内存在不是持久化的，如果进程关闭，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的一大优点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；

• 当然还有一个优点就是不需要频繁的read/write系统调用

 

3）POSIX API：System V 的共享内存是过时的, POSIX共享内存提供了使用更简单、设计更合理的API。

 

4）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的内存管理设计非常简单，快速读写，不释放内存，过期数据置为Wasted。

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

 

2、互斥锁

 

任何内存资源的操作，都涉及到锁的机制。

共享内存：一个单位时间内，只允许一个进程执行写操作，允许多个进程执行读操作；

写操作同时，不阻止读操作，以至于很少有锁死的情况。

这就引发另外一个问题：新代码、大流量场景，进程排队执行缓存opcode操作；重复写入，导致资源浪费。

 

四、OPCache 缓存解读

 

OPCache 是官方的Opcode 缓存解决方案，在PHP5.5版本之后，已经打包到PHP源码中一起发布。

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。

通过节省脚本的编译过程，提高PHP的运行效率。

如果正在使用APC扩展，做同样的工作，现在强烈推荐OPCache来代替，尤其是PHP7中。

 

1、OPCode 缓存

 

Opcache 会缓存OPCode以及如下内容：

 

• 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

 

2、Interned String 缓存

 

首先我们需要理解，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。尤其是处理大块的字符串，比如PHP doces时，Interned String 可以优化内存。

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进程之间可以使用 Interned String 缓存的字符串，节省内存。

我们需要注意一个事情，在PHP开发中，一般会有大段的注释，也会被缓存到OPCache中。可以通过php.ini的配置，关闭注释的缓存。

但是，像Zend Framework等框架中，会引用注释，所以，是否关闭注释的缓存，需要区别对待。

 

五、OPCache更新策略

 

只要是缓存，都存在过期，以及更新策略等。而OPCache的更新策略非常简单，到期数据置为Wasted，达到设定值，清空缓存，重建缓存。

这里需要注意：在高流量的场景下，重建缓存是一件非常耗费资源的事儿。OPCache 在创建缓存时并不会阻止其他进程读取。这会导致大量进程反复新建缓存。所以，不要设置OPCache过期时间

 

每次发布新代码时，都会出现反复新建缓存的情况。如何避免呢？

 

• 不要在高峰期发布代码，这是任何情况下都要遵守的规则

• 代码预热，比如使用脚本批量调PHP 访问URL，或者使用OPCache 暴露的API 如opcache_compile_file() 进行编译缓存

 

六、OPCache 的配置

 

1、内存配置

 

• opcache.preferred_memory_model=”mmap” OPcache 首选的内存模块。如果留空，OPcache 会选择适用的模块， 通常情况下，自动选择就可以满足需求。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。如果达到此上限，那么 OPcache 将产生重新启动续发事件。默认5

 

2、允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 之前是 100000，PHP 5.5.6 及之后是 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 表示缓存全部文件。默认值0

 

3、注释相关的缓存

 

• opcache.load_commentsboolean 如果禁用，则即使文件中包含注释，也不会加载这些注释内容。本选项可以和 opcache.save_comments 一起使用，以实现按需加载注释内容。

• opcache.fast_shutdown boolean 如果启用，则会使用快速停止续发事件。所谓快速停止续发事件是指依赖 Zend 引擎的内存管理模块 一次释放全部请求变量的内存，而不是依次释放每一个已分配的内存块。

 

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。启用二级缓存可以在 SHM 内存满了、服务器重启或者重置 SHM 的时候提高性能。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，当一个进程无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。需要显示的启用文件缓存。

 

 

详细配置如下：

opcache.enable boolean
启用操作码缓存。如果禁用此选项，则不会优化和缓存代码。 在运行期使用 ini_set() 函数只能禁用 opcache.enable 设置，不可以启用此设置。 如果在脚本中尝试启用此设置项会产生警告。

opcache.enable_cli boolean
仅针对 CLI 版本的 PHP 启用操作码缓存。 通常被用来测试和调试。

opcache.memory_consumption integer
OPcache 的共享内存大小，以兆字节为单位。

opcache.interned_strings_buffer integer
用来存储临时字符串的内存大小，以兆字节为单位。 PHP 5.3.0 之前的版本会忽略此配置指令。

opcache.max_accelerated_files integer
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 } 中找到的第一个比设置值大的质数。 设置值取值范围最小值是 200，最大值在 PHP 5.5.6 之前是 100000，PHP 5.5.6 及之后是 1000000。

opcache.max_wasted_percentage integer
浪费内存的上限，以百分比计。 如果达到此上限，那么 OPcache 将产生重新启动续发事件。

opcache.use_cwd boolean
如果启用，OPcache 将在哈希表的脚本键之后附加改脚本的工作目录， 以避免同名脚本冲突的问题。 禁用此选项可以提高性能，但是可能会导致应用崩溃。

opcache.validate_timestamps boolean
如果启用，那么 OPcache 会每隔 opcache.revalidate_freq 设定的秒数 检查脚本是否更新。 如果禁用此选项，你必须使用 opcache_reset() 或者 opcache_invalidate() 函数来手动重置 OPcache，也可以 通过重启 Web 服务器来使文件系统更改生效。

opcache.revalidate_freq integer
检查脚本时间戳是否有更新的周期，以秒为单位。 设置为 0 会导致针对每个请求， OPcache 都会检查脚本更新。
如果 opcache.validate_timestamps 配置指令设置为禁用，那么此设置项将会被忽略。

opcache.revalidate_path boolean
如果禁用此选项，在同一个 include_path 已存在的缓存文件会被重用。 因此，将无法找到不在包含路径下的同名文件。

opcache.save_comments boolean
如果禁用，脚本文件中的注释内容将不会被包含到操作码缓存文件， 这样可以有效减小优化后的文件体积。 禁用此配置指令可能会导致一些依赖注释或注解的 应用或框架无法正常工作， 比如： Doctrine， Zend Framework 2 以及 PHPUnit。

opcache.load_comments boolean
如果禁用，则即使文件中包含注释，也不会加载这些注释内容。 本选项可以和 opcache.save_comments 一起使用，以实现按需加载注释内容。

opcache.fast_shutdown boolean
如果启用，则会使用快速停止续发事件。 所谓快速停止续发事件是指依赖 Zend 引擎的内存管理模块 一次释放全部请求变量的内存，而不是依次释放每一个已分配的内存块。

opcache.enable_file_override boolean
如果启用，则在调用函数 file_exists()， is_file() 以及 is_readable() 的时候， 都会检查操作码缓存，无论文件是否已经被缓存。 如果应用中包含检查 PHP 脚本存在性和可读性的功能，这样可以提升性能。 但是如果禁用了 opcache.validate_timestamps 选项， 可能存在返回过时数据的风险。

opcache.optimization_level integer
控制优化级别的二进制位掩码。

opcache.inherited_hack boolean
在 PHP 5.3 之前的版本，OPcache 会存储代码中使用 DECLARE_CLASS 操作码 来实现继承的位置。当文件被加载之后，OPcache 会尝试使用当前环境来绑定被继承的类。 由于当前脚本中可能并不需要 DECLARE_CLASS 操作码，如果这样的脚本需要对应的操作码被定义时， 可能无法运行。
在 PHP 5.3 及后续版本中，此配置指令会被忽略。

opcache.dups_fix boolean
仅作为针对 “不可重定义类”错误的一种解决方案。

opcache.blacklist_filename string
OPcache 黑名单文件位置。 黑名单文件为文本文件，包含了不进行预编译优化的文件名，每行一个文件名。 黑名单中的文件名可以使用通配符，也可以使用前缀。 此文件中以分号（;）开头的行将被视为注释。

简单的黑名单文件可能如下所示：

; 将特定文件加入到黑名单
/var/www/broken.php
; 以字符 x 文件打头的文件
/var/www/x
; 通配符匹配
/var/www/*-broken.php

opcache.max_file_size integer
以字节为单位的缓存的文件大小上限。设置为 0 表示缓存全部文件。

opcache.consistency_checks integer
如果是非 0 值，OPcache 将会每隔 N 次请求检查缓存校验和。 N 即为此配置指令的设置值。 由于此选项对于性能有较大影响，请尽在调试环境使用。

opcache.force_restart_timeout integer
如果缓存处于非激活状态，等待多少秒之后计划重启。 如果超出了设定时间，则 OPcache 模块将杀除持有缓存锁的进程， 并进行重启。
如果选项 opcache.log_verbosity_level 设置为 3 或者 3 以上的数值，当发生重启时将在日志中记录一条错误信息。

opcache.error_log string
OPcache 模块的错误日志文件。 如果留空，则视为 stderr， 错误日志将被送往标准错误输出 （通常情况下是 Web 服务器的错误日志文件）。

opcache.log_verbosity_level integer
OPcache 模块的日志级别。 默认情况下，仅有致命级别（0）及错误级别（1）的日志会被记录。 其他可用的级别有：警告（2），信息（3）和调试（4）。

opcache.preferred_memory_model string
OPcache 首选的内存模块。 如果留空，OPcache 会选择适用的模块， 通常情况下，自动选择就可以满足需求。
可选值包括： mmap，shm, posix 以及 win32。

opcache.protect_memory boolean
保护共享内存，以避免执行脚本时发生非预期的写入。 仅用于内部调试。

opcache.mmap_base string
在 Windows 平台上共享内存段的基地址。 所有的 PHP 进程都将共享内存映射到同样的地址空间。 使用此配置指令避免“无法重新附加到基地址”的错误。

opcache.restrict_api string
仅允许路径是以指定字符串开始的 PHP 脚本调用 OPcache API 函数。 默认值为空字符串 “”，表示不做限